JP2019512157A - Mixture of elemental metal and carbon for energy storage - Google Patents
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Abstract
エネルギー貯蔵装置は、第1電極と、第2電極と、第1電極および第2電極の間のセパレータとを含み、第1電極または第2電極は、元素リチウム金属および炭素粒子を含む。エネルギー貯蔵装置を製造する方法は、第1電極および第2電極を形成する工程と、第1電極と第2電極との間にセパレータを挿入する工程と、を含むことができる。ここで、第1電極または第2電極を形成する工程は、元素リチウム金属と複数の炭素粒子とを混ぜ合わせる工程を含む。【選択図】図7The energy storage device comprises a first electrode, a second electrode and a separator between the first electrode and the second electrode, the first electrode or the second electrode comprising elemental lithium metal and carbon particles. The method of manufacturing the energy storage device can include forming a first electrode and a second electrode, and inserting a separator between the first electrode and the second electrode. Here, the step of forming the first electrode or the second electrode includes a step of mixing elemental lithium metal and a plurality of carbon particles. [Selected figure] Figure 7
Description
本発明は、概して、エネルギー貯蔵装置の電極用組成物、そのような電極を実装したエネルギー貯蔵装置、および関連する方法に関する。 The present invention relates generally to an electrode composition for an energy storage device, an energy storage device implementing such an electrode, and related methods.
リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオンおよび/またはアルミニウムイオンをもとにしたエネルギー貯蔵装置は、多様な範囲の電気機器に電力を供給するために使用することができる。これらの材料を使用するバッテリおよび/またはキャパシタは、例えば、風力発電システム、無停電電源システム(UPS)、光起電力発電、および/または産業機器や輸送システムのエネルギー回収システムを含む様々な用途で実装することができる。このようなバッテリおよび/またはキャパシタの電極は、製造中にプレドーピングプロセス(a pre-doping process)を行うことがある。 Energy storage devices based on lithium, sodium, potassium, magnesium and / or aluminum ions can be used to power a wide range of electrical devices. Batteries and / or capacitors using these materials are used in a variety of applications, including, for example, wind power systems, uninterruptible power systems (UPS), photovoltaic power generation, and / or energy recovery systems for industrial equipment and transport systems. It can be implemented. The electrodes of such batteries and / or capacitors may undergo a pre-doping process during manufacture.
いくつかの態様では、エネルギー貯蔵装置は、第1電極、第2電極、および第1電極と第2電極との間のセパレータを含み、第1電極および第2電極の少なくとも1つは炭素粒子および元素金属(elemental metal)を含むことができる。元素金属は、元素リチウム金属(elemental lithium metal)を含み、本質的に元素リチウム金属からなり、または元素リチウム金属からなることができる。元素金属は、元素ナトリウム金属を含み、本質的に元素ナトリウム金属からなり、または元素ナトリウム金属からなることができる。元素金属は、元素カリウム金属を含み、本質的に元素カリウム金属からなり、または元素カリウム金属からなることができる。元素金属は、元素マグネシウム金属を含み、本質的に元素マグネシウム金属からなり、または元素マグネシウム金属からなることができる。元素金属は、元素アルミニウム金属を含み、本質的に元素アルミニウム金属からなり、または元素アルミニウム金属からなることができる。 In some aspects, the energy storage device comprises a first electrode, a second electrode, and a separator between the first electrode and the second electrode, at least one of the first electrode and the second electrode comprising carbon particles and It can contain an elemental metal. The elemental metal comprises elemental lithium metal, can consist essentially of, or consist of elemental lithium metal. The elemental metal comprises elemental sodium metal, may consist essentially of elemental sodium metal, or may consist of elemental sodium metal. The elemental metal comprises elemental potassium metal, can consist essentially of, or consist of elemental potassium metal. The elemental metal comprises elemental magnesium metal, may consist essentially of elemental magnesium metal, or may consist of elemental magnesium metal. The elemental metal may comprise, consist essentially of, or consist of elemental aluminum metal.
いくつかの実施形態では、第1電極および第2電極の少なくとも1つは、元素リチウム金属および炭素粒子を含有する乾燥電極フィルムを含むことができる。第1電極および第2電極の少なくとも一方は、リチウムイオンバッテリまたはリチウムイオンキャパシタのアノードのような、アノードを含むことができる。 In some embodiments, at least one of the first electrode and the second electrode can comprise a dried electrode film containing elemental lithium metal and carbon particles. At least one of the first electrode and the second electrode can include an anode, such as a lithium ion battery or an anode of a lithium ion capacitor.
いくつかの実施形態では、炭素粒子は多孔質炭素粒子を含み、各多孔質炭素粒子は複数の細孔を有し、その複数の細孔の少なくともいくつかは、少なくともいくつかの元素リチウム金属を受け入れる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、活性炭素を含むことができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は階層的に構造化された炭素を含むことができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子はメソポーラスカーボンを含むことができる。 In some embodiments, the carbon particles comprise porous carbon particles, each porous carbon particle having a plurality of pores, at least some of which are at least some elemental lithium metal. accept. In some embodiments, porous carbon particles can include activated carbon. In some embodiments, porous carbon particles can include hierarchically structured carbon. In some embodiments, porous carbon particles can comprise mesoporous carbon.
いくつかの実施形態では、元素リチウム金属の露出部分を覆う固体電解質界面(SEI)層を形成することができる。このSEI層は、対応する多孔質炭素粒子の外面下にある元素リチウム金属の露出部分を覆うことができる。 In some embodiments, a solid electrolyte interface (SEI) layer can be formed that covers exposed portions of elemental lithium metal. This SEI layer can cover the exposed portion of elemental lithium metal under the outer surface of the corresponding porous carbon particle.
いくつかの実施形態では、炭素粒子はグラファイト粒子を含む。 In some embodiments, the carbon particles comprise graphite particles.
いくつかの実施形態では、元素リチウム金属は、元素リチウム金属粒子を含むことができる。 In some embodiments, the elemental lithium metal can comprise elemental lithium metal particles.
いくつかの態様では、エネルギー貯蔵装置を製造する方法は、元素リチウム金属と複数の炭素粒子とを混ぜ合わせて第1電極フィルム混合物を形成する工程と、電極フィルム混合物から電極フィルムを形成する工程とを含むことができる。 In some embodiments, a method of manufacturing an energy storage device comprises: mixing an elemental lithium metal and a plurality of carbon particles to form a first electrode film mixture; and forming an electrode film from the electrode film mixture Can be included.
いくつかの実施形態では、上記方法は、少なくとも一方が電極フィルムを含む第1電極および第2電極を形成する工程と、第1電極と第2電極との間にセパレータを挿入する工程と、をさらに含むことができる。 In some embodiments, the method comprises forming a first electrode and a second electrode, at least one of which includes an electrode film, and inserting a separator between the first electrode and the second electrode. It can further include.
いくつかの実施形態では、複数の炭素粒子は複数の多孔質炭素粒子を含むことができ、各多孔質炭素粒子は複数の細孔を有する。いくつかの実施形態では、この多孔質炭素粒子は、活性炭素を含むことができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は階層的に構造化された炭素を含むことができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子はメソポーラスカーボンを含むことができる。 In some embodiments, the plurality of carbon particles can comprise a plurality of porous carbon particles, each porous carbon particle having a plurality of pores. In some embodiments, the porous carbon particles can include activated carbon. In some embodiments, porous carbon particles can include hierarchically structured carbon. In some embodiments, porous carbon particles can comprise mesoporous carbon.
いくつかの実施形態では、元素リチウム金属および複数の炭素粒子を混ぜ合わせる工程は、各多孔質炭素粒子に対応する細孔の少なくともいくつかが、少なくともいくつかの元素リチウム金属を受け入れるように、元素リチウム金属および複数の多孔質炭素粒子を混合する工程を含むことができる。 In some embodiments, combining the elemental lithium metal and the plurality of carbon particles is elemental such that at least some of the pores corresponding to each porous carbon particle receive at least some elemental lithium metal. A step of mixing lithium metal and a plurality of porous carbon particles can be included.
いくつかの実施形態では、元素リチウム金属の露出部分に固体電解質界面(SEI)層を形成することができる。SEI層を形成する工程は、対応する多孔質炭素粒子の外面下にある元素リチウム金属の露出部分を覆う工程を含むことができる。いくつかの実施形態では、SEI層を形成する工程は、元素リチウム金属の露出部分を電解質溶媒蒸気に曝露する工程を含む。いくつかの実施形態では、元素リチウムの露出部分を電解質溶媒蒸気に曝露する工程は、元素リチウムの露出部分をカーボネート蒸気に曝露する工程を含む。 In some embodiments, a solid electrolyte interface (SEI) layer can be formed on exposed portions of elemental lithium metal. Forming the SEI layer can include covering the exposed portion of elemental lithium metal underlying the outer surface of the corresponding porous carbon particle. In some embodiments, forming the SEI layer includes exposing exposed portions of elemental lithium metal to the electrolyte solvent vapor. In some embodiments, exposing the exposed portion of elemental lithium to the electrolyte solvent vapor comprises exposing the exposed portion of elemental lithium to the carbonate vapor.
いくつかの実施形態では、複数の炭素粒子は複数のグラファイト粒子を含む。 In some embodiments, the plurality of carbon particles comprises a plurality of graphite particles.
いくつかの実施形態では、混合物は実質的に均質な混合物である。 In some embodiments, the mixture is a substantially homogeneous mixture.
いくつかの実施形態では、バルク元素リチウム金属(bulk elemental lithium metal)を製造するする工程と、そのバルク元素リチウム金属のサイズを小さくして複数の元素リチウム金属粒子を形成する工程とをさらに含む。 Some embodiments further include producing a bulk elemental lithium metal and reducing the size of the bulk elemental lithium metal to form a plurality of elemental lithium metal particles.
いくつかの実施形態では、元素リチウム金属と複数の炭素粒子とを混ぜ合わせる工程は、乾燥元素リチウム金属と複数の乾燥炭素粒子とを混ぜ合わせて乾燥電極フィルム混合物を形成する工程を含む。いくつかの実施形態では、第1電極および第2電極の少なくとも1つは、リチウムイオンバッテリまたはリチウムイオンキャパシタのアノードを含む。 In some embodiments, combining the elemental lithium metal and the plurality of carbon particles comprises combining the dry elemental lithium metal and the plurality of dried carbon particles to form a dried electrode film mixture. In some embodiments, at least one of the first and second electrodes comprises an anode of a lithium ion battery or lithium ion capacitor.
いくつかの態様では、リチウムイオンエネルギー貯蔵装置を形成するためのバルク材料の混合物は、元素リチウム金属および活性炭素粒子を含有することができる。 In some aspects, the mixture of bulk materials to form a lithium ion energy storage device can contain elemental lithium metal and activated carbon particles.
いくつかの実施形態では、元素リチウム金属および活性炭素粒子を含むバルク混合物を入れる内部容積を有する混合装置が提供される。 In some embodiments, a mixing device is provided having an internal volume for receiving a bulk mixture comprising elemental lithium metal and activated carbon particles.
いくつかの実施形態では、その混合装置は、内部容積内に不活性ガスをさらに含む。いくつかの実施形態では、その混合装置は、チャンバ内に電解質溶媒蒸気をさらに含む。 In some embodiments, the mixing device further comprises an inert gas in the internal volume. In some embodiments, the mixing apparatus further includes electrolyte solvent vapor in the chamber.
いくつかの実施形態では、活性炭素粒子はグラファイトを含む。いくつかの実施形態では、活性炭素粒子は、細孔に元素リチウム金属が挿入された多孔質炭素粒子を含む。 In some embodiments, the activated carbon particles comprise graphite. In some embodiments, activated carbon particles comprise porous carbon particles having elemental lithium metal intercalated in the pores.
いくつかの実施形態では、プレドープされたエネルギー貯蔵装置の電極(a pre-doped energy storage device electrode)は、リチウムなどの元素金属と活性炭素粒子との混合物を含むことができる。 In some embodiments, a pre-doped energy storage device electrode can include a mixture of an elemental metal such as lithium and activated carbon particles.
いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置が提供される。ここで、エネルギー貯蔵装置は、元素リチウム金属と複数の炭素粒子とを混ぜ合わせて電極フィルム混合物を形成する工程と、その電極フィルム混合物から第1電極フィルムを形成する工程と、によって製造される。さらなる実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、第1電極と第2電極との間にセパレータをさらに挿入し、任意で、第1電極、セパレータおよび第2電極をハウジング内に配置し、任意で、さらに電解質をハウジング内に配置し、第1電極および第2電極をこの電解質に接触させ、任意で、第2電極をプレドープ(pre-doped)する。 In some embodiments, an energy storage device is provided. Here, the energy storage device is manufactured by mixing an element lithium metal and a plurality of carbon particles to form an electrode film mixture, and forming a first electrode film from the electrode film mixture. In a further embodiment, the energy storage device further inserts a separator between the first electrode and the second electrode, optionally placing the first electrode, the separator and the second electrode in the housing, optionally further An electrolyte is disposed within the housing and the first and second electrodes are contacted with the electrolyte, and optionally, the second electrode is pre-doped.
本発明、および、本発明によって達成する先行技術に対する利点を要約するために、特定の目的および利点がここに記載される。当然のことながら、必ずしもそのような目的または利点の全てが特定の実施形態に従って達成される必要はないことを理解されたい。したがって、例えば、当業者であれば、1つの利点または1群の利点を達成または最適化できる方法で、その他の目的または利点を必ずしも達成することなく、本発明を具体化または実施することができることを理解するであろう。 Specific objects and advantages are described herein in order to summarize the advantages of the invention and the prior art achieved by the invention. Of course, it should be understood that not all such objectives or advantages need to be achieved in accordance with a particular embodiment. Thus, for example, one skilled in the art can embody or practice the present invention in a manner that can achieve or optimize one advantage or set of advantages without necessarily achieving other objects or advantages. Will understand.
これらの実施形態の全ては、本明細書に開示される本発明の範囲に含まれるものとする。これらのおよび他の実施形態は、添付の図面を参照した以下の詳細な説明から当業者には容易に明らかとなる。そして、本発明はいずれかの特定の開示された実施形態に限定されない。 All of these embodiments are intended to be included within the scope of the invention disclosed herein. These and other embodiments will be readily apparent to those skilled in the art from the following detailed description with reference to the accompanying drawings. And, the present invention is not limited to any particular disclosed embodiment.
本明細書のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、特定の実施形態の図面を参照して記載されるが、これは特定の実施形態を例示することを意図したものであり、本発明を限定するものではない。 These and other features, aspects, and advantages of the present specification will be described with reference to the drawings of specific embodiments, which are intended to illustrate the specific embodiments and which are incorporated by reference herein. There is no limitation on
本明細書には、カラーで示される少なくとも1つの図面が含まれる。この本明細書のカラー図面の写しは、請求および必要な手数料の支払いがあった場合に事務局(the Office)が提供する。 The present specification includes at least one drawing shown in color. Copies of the color drawings herein are provided by the Office upon request and payment of the necessary fee.
特定の実施形態および実施例が以下に記載されるが、当業者であれば、本発明が具体的に開示された実施形態および/または使用を超えるものであること、ならびに、改良などについて認識するであろう。したがって、本明細書に開示される本発明の範囲は、以下に記載される特定の実施形態によって限定されるべきではない。 Although specific embodiments and examples are described below, one skilled in the art will recognize that the present invention is beyond the specifically disclosed embodiments and / or uses, as well as improvements, etc. Will. Thus, the scope of the invention disclosed herein should not be limited by the specific embodiments described below.
以下に開示するのは、材料の混合物、対応する電極、エネルギー貯蔵装置、および関連する方法についての実施形態であり、これらはすべてバルク材料として元素リチウム金属を使用するものである。本明細書において、元素リチウム金属は、酸化状態がゼロのリチウム金属を指す。再充電可能なエネルギー貯蔵の利用など、従来のエネルギー貯蔵装置の利用においては、元素リチウム金属を原料として使用しない。元素リチウム金属が電気化学的に活性な材料の成分中に分散することで、元素リチウム金属が細かく分布した電極を得ることができるが、それは反応性が高く、または製造過程のある条件下では爆発する場合もあるからである。例えば、従来の湿式のエネルギー貯蔵装置の製造では、リチウム元素金属が湿式処理で用いられる水および/またはN-メチルピロリドンのような多量の液体に曝されたときに反応性が高く爆発する場合もあるので、リチウム元素金属を使用しない。代わりに、従来のエネルギー貯蔵装置は、安定性を付与するために表面加工されたコーティング層を有することが知られているリチウム材料を使用する。これらのリチウム材料、例えばリチウムカチオンおよびカーボネートをベースとする組成物を含む材料などは、酸化状態がゼロでない。例えば、従来の方法は、FLC Lithium社のSLMPの商標のStable Lithium Metalized Powderを使用する。これらの従来の材料は、塩によるコーティングを含むものが多く、二次処理工程でリチウムに接触させるために割られるが、それによってこれらの材料から形成される電極のエネルギー密度が低下し、処理工程がより複雑となり、材料コストが増加する。本明細書で使用される材料の処理および構造は、バルク元素リチウム金属の使用を可能にし、それによって、得られるエネルギー貯蔵装置のエネルギー密度が増加し、またある程度、望ましくない反応または爆発の可能性が低減する。 Disclosed below are embodiments of mixtures of materials, corresponding electrodes, energy storage devices, and related methods, all using elemental lithium metal as a bulk material. As used herein, elemental lithium metal refers to lithium metal in the zero oxidation state. In the use of conventional energy storage devices, such as the use of rechargeable energy storage, elemental lithium metal is not used as a feedstock. By dispersing elemental lithium metal in the components of the electrochemically active material, it is possible to obtain an electrode in which elemental lithium metal is finely distributed, but it is highly reactive or it explodes under certain conditions in the manufacturing process In some cases. For example, in the manufacture of conventional wet energy storage devices, even if lithium elemental metal is highly reactive when it is exposed to water used in wet processing and / or a large amount of liquid such as N-methyl pyrrolidone, it explodes. Because there is no lithium elemental metal. Instead, conventional energy storage devices use lithium materials that are known to have a surface-treated coating layer to provide stability. These lithium materials, such as materials containing lithium cation and carbonate based compositions, have non-zero oxidation states. For example, the conventional method uses Stable Lithium Metalized Powder, a SLMP trademark of FLC Lithium Corporation. These conventional materials often include a coating with a salt, which is split to contact lithium in the secondary processing step, which reduces the energy density of the electrodes formed from these materials, resulting in processing steps Become more complex and material costs increase. The processing and structure of the materials used herein enables the use of bulk elemental lithium metal, thereby increasing the energy density of the resulting energy storage device and, to some extent, the potential for undesirable reactions or explosions. Is reduced.
元素金属を電極活物質の混合物に含めることによって、プレドープされた電極を製造することができる。このことによって、理論によって発明の範囲を制限する意図はないが、電極フィルムに含まれるリチウム金属が酸化還元反応によって遊離金属イオンを生成するものと考えられる。従って、本明細書に示す元素金属を含む電極は、電解質と接触しているときに電子を放出し、続いてリチウム金属原子ごとに金属カチオンを形成し得る。放出された金属イオンはいずれかの電極に拡散することがある。例えば、エネルギー貯蔵装置の典型的なアノード材料は、一般に、1つ以上のインターカレーション炭素成分を含む。このインターカレーション炭素成分は、リチウムイオンのような特定の金属イオンがインターカレートされるように選択することができる。電極が本明細書で示すような元素金属を含む場合、その金属イオンは、アノードの1つ以上の活性炭素成分中にインターカレートすることができる。これに関連して、例えば、キャパシタのカソード材料は、一般に、リチウムイオンなどの金属イオンを吸着することができる炭素成分を含む。カソードが金属イオンと接触すると、金属イオンがカソードの表面に吸着し得る。 By including elemental metal in the mixture of electrode active materials, pre-doped electrodes can be produced. Although this does not intend to limit the scope of the invention by theory, it is believed that lithium metal contained in the electrode film produces free metal ions by a redox reaction. Thus, an electrode comprising an elemental metal as described herein may emit electrons when in contact with the electrolyte and subsequently form a metal cation per lithium metal atom. The released metal ions may diffuse to either electrode. For example, typical anode materials of energy storage devices generally include one or more intercalated carbon components. The intercalated carbon component can be selected such that certain metal ions, such as lithium ions, are intercalated. If the electrode comprises an elemental metal as described herein, the metal ion can be intercalated into one or more active carbon components of the anode. In this regard, for example, the cathode material of the capacitor generally comprises a carbon component capable of adsorbing metal ions, such as lithium ions. When the cathode is in contact with the metal ions, the metal ions may be adsorbed on the surface of the cathode.
したがって、いくつかの実施形態では、本明細書で示す材料および方法は、電極のプレドープのための工程数を減らすという利点を有し得る。具体的には、元素金属が電極フィルム混合物に含まれる場合、既存の電極フィルムに対して必要とされる独立したプレドープ工程を行う必要はない。本明細書で示す電極フィルム混合物は、元素金属と複数の炭素粒子との間の密接な接触を可能にすることができる。したがって、プレドーピング材料源(例えば元素金属または金属イオン溶液などの金属イオン源でもよい)と炭素ベースの電極との間の電気的接触を提供する別個の電気素子を必要とするプレドープ工程は必要なくなる。代わりに、本明細書の実施形態は、エネルギー貯蔵装置内の電解質との接触時に金属イオンを放出するような、元素金属粒子を含有する電極フィルムを備えたプレドープ電極を提供することができる。 Thus, in some embodiments, the materials and methods presented herein may have the advantage of reducing the number of steps for pre-doping of the electrode. Specifically, if the elemental metal is included in the electrode film mixture, there is no need to perform the separate pre-doping steps required for existing electrode films. The electrode film mixture described herein can enable intimate contact between the elemental metal and the plurality of carbon particles. Thus, the need for a pre-doping step requiring a separate electrical element to provide electrical contact between the source of pre-doping material (which may for example be a metal ion source such as elemental metal or metal ion solution) and a carbon based electrode is not required . Alternatively, embodiments herein can provide a pre-doped electrode with an electrode film containing elemental metal particles that releases metal ions upon contact with an electrolyte in an energy storage device.
元素金属は、プレドーピング源として適している金属塩よりは、安価であり得る。本明細書に示す材料および方法は、金属塩を使用しないプレドープ電極の製造を可能にする。さらに、本明細書に示す材料および方法は、乾式の電極製造技術と相性がよく、したがって、湿式の電極製造に伴う処理の非効率性を低減できる。したがって、いくつかの実施形態では、本明細書で提供される材料および方法は、プレドープ電極の製造のコスト効率を高めることができる。リチウムを有するエネルギー貯蔵装置に関して本明細書で説明される元素金属およびそれに関連する概念は、他のエネルギー貯蔵装置および他の金属で実施され得ることが理解できる。 Elemental metals may be less expensive than metal salts suitable as pre-doping sources. The materials and methods presented herein allow for the preparation of pre-doped electrodes without the use of metal salts. In addition, the materials and methods presented herein are compatible with dry electrode manufacturing techniques, thus reducing the processing inefficiencies associated with wet electrode manufacturing. Thus, in some embodiments, the materials and methods provided herein can increase the cost efficiency of manufacturing pre-doped electrodes. It can be appreciated that the elemental metals and concepts related thereto described herein with respect to energy storage devices having lithium can be implemented with other energy storage devices and other metals.
バルク元素リチウム金属は、元素リチウム金属のシート、バー、ロッド、または他の形態で提供することができる。いくつかの実施形態では、バルク元素リチウム金属は、それぞれ約1mm3〜約1m3を含む約1mm3を超える体積を有する1つ以上の元素リチウム金属片とすることができる。いくつかの実施形態では、バルク元素リチウム金属は、約10μm〜約80μm、または約50μm〜約100μmを含む、約5μm〜約100μmの厚さを有する元素リチウム金属シートとすることもできる。バルク元素リチウム金属は、様々な形状のリチウムの塊とすることもできる。バルク元素リチウム金属は、粒子状にさらにサイズを縮小することができ、例えばグラファイト粒子、多孔質炭素粒子および/または活性炭素粒子など、炭素粒子などの炭素と混合することができ、エネルギー貯蔵装置の電極を形成するためのバルク材料粒子混合物をなす。いくつかの実施形態では、元素金属、例えばリチウムは、粉末状の元素金属である。さらなる実施形態では、元素金属、例えばリチウムは、本明細書に示す1つ以上の処理工程、例えば工程300,400,500または600のうちの1つ以上の工程中においてサイズが縮小され、元素金属粉末を形成する。 Bulk elemental lithium metal can be provided in sheets, bars, rods, or other forms of elemental lithium metal. In some embodiments, bulk elemental lithium metal may be one or more elements lithium metal piece having a volume greater than about 1 mm 3 containing about 1 mm 3 ~ about 1 m 3, respectively. In some embodiments, the bulk elemental lithium metal can also be an elemental lithium metal sheet having a thickness of about 5 μm to about 100 μm, including about 10 μm to about 80 μm, or about 50 μm to about 100 μm. Bulk elemental lithium metal can also be lumps of lithium of various shapes. Bulk elemental lithium metal can be further reduced in size to particles, mixed with carbon such as carbon particles, eg, graphite particles, porous carbon particles and / or activated carbon particles, and the like, of energy storage devices Make a bulk material particle mixture to form an electrode. In some embodiments, the elemental metal, eg, lithium, is a powdered elemental metal. In further embodiments, the elemental metal, eg, lithium, is reduced in size during one or more of the processing steps described herein, eg, one or more of steps 300, 400, 500 or 600, and the elemental metal is Form a powder.
本明細書では、炭素粒子は、多孔質炭素粒子および/または非多孔質炭素粒子を含む、グラファイトなどの様々なサイズの炭素粒子を意味し得る。いくつかの実施形態では、炭素粒子は、約1μm〜約20μmの累積粒子径D50を有することができる。いくつかの実施形態では、累積粒子径D50は、約1μm〜約15μm、または約2μm〜約10μmであり得る。 As used herein, carbon particles can mean carbon particles of various sizes, such as graphite, including porous carbon particles and / or non-porous carbon particles. In some embodiments, the carbon particles can have a cumulative particle size D 50 of about 1 μm to about 20 μm. In some embodiments, the cumulative particle size D 50 may be about 1 μm to about 15 μm, or about 2 μm to about 10 μm.
本明細書では、多孔質炭素粒子は、内部に延びる細孔または中空チャネル(中空管)を有する様々な炭素材料を指すことができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、ナノ多孔質炭素粒子、ミクロポーラスカーボン粒子、メソポーラスカーボン粒子および/またはマクロポーラス炭素粒子を含むことができる。細孔または中空チャネルは、約1nm〜約2μmの直径を有することができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、粒子の直径の約2%〜約5%または約5%〜約10%を含む、粒子の直径の約2%〜約10%の直径を有する細孔を有することができる。例えば、多孔質炭素粒子の細孔は、炭素粒子の体積の約10%〜約60%、約10%〜約50%、約10%〜約40%を含む、炭素粒子の体積の約10%〜約80%を占めることができる。 As used herein, porous carbon particles can refer to various carbon materials having pores or hollow channels (hollow tubes) extending therein. In some embodiments, the porous carbon particles can comprise nanoporous carbon particles, microporous carbon particles, mesoporous carbon particles and / or macroporous carbon particles. The pores or hollow channels can have a diameter of about 1 nm to about 2 μm. In some embodiments, the porous carbon particles have a diameter of about 2% to about 10% of the diameter of the particles, including about 2% to about 5% or about 5% to about 10% of the diameter of the particles. It can have pores. For example, the pores of the porous carbon particle are about 10% of the volume of the carbon particle, including about 10% to about 60%, about 10% to about 50%, about 10% to about 40% of the volume of the carbon particle It can occupy about 80%.
いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は活性炭素粒子を含むことができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、階層的に構造化された炭素粒子を含むことができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、構造化カーボンナノチューブ、構造化カーボンナノワイヤおよび/または構造化カーボンナノシートを含むことができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、グラフェンシートを含むことができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、表面処理された炭素粒子であってもよい。例えば、その処理された炭素粒子では、処理された炭素の1つ以上の表面の1つ以上の官能基の数が減少していてもよい。例えば、1つ以上の官能基が、未処理の炭素表面と比べて約10%〜約60%減少(約20%〜約50%減少を含む)している。処理された炭素は、水素含有官能基、窒素含有官能基、および/または酸素含有官能基の数が減少していてもよい。いくつかの実施形態では、処理された炭素材料は、約0.5%未満を含む、約1%未満の水素含有官能基を有する。いくつかの実施形態では、処理された炭素材料は、約0.1%未満を含む約0.5%未満の窒素含有官能基を有する。いくつかの実施形態では、処理された炭素材料は、約3%未満を含む約5%未満の酸素含有官能基を有する。いくつかの実施形態では、処理された炭素材料は、未処理の炭素材料に比べて水素含有官能基が約30%未満である。 In some embodiments, porous carbon particles can include activated carbon particles. In some embodiments, porous carbon particles can include hierarchically structured carbon particles. In some embodiments, porous carbon particles can include structured carbon nanotubes, structured carbon nanowires, and / or structured carbon nanosheets. In some embodiments, porous carbon particles can include graphene sheets. In some embodiments, the porous carbon particles may be surface-treated carbon particles. For example, in the treated carbon particles, the number of one or more functional groups on one or more surfaces of the treated carbon may be reduced. For example, one or more functional groups are reduced by about 10% to about 60% (including about 20% to about 50% reduction) relative to the untreated carbon surface. The treated carbon may have a reduced number of hydrogen containing functional groups, nitrogen containing functional groups, and / or oxygen containing functional groups. In some embodiments, the treated carbon material has less than about 1% hydrogen containing functional groups, including less than about 0.5%. In some embodiments, the treated carbon material has less than about 0.5% nitrogen containing functional groups, including less than about 0.1%. In some embodiments, the treated carbon material has less than about 5% oxygen containing functional groups including less than about 3%. In some embodiments, the treated carbon material has less than about 30% hydrogen containing functional groups as compared to the untreated carbon material.
一実施形態では、エネルギー貯蔵装置の電極を製造するための混合物は、複数の炭素粒子と、複数の元素リチウム金属粒子などの元素リチウム金属とを含有する。いくつかの実施形態では、その混合物は乾燥粒子混合物である。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置の電極のための電極フィルムは、複数の炭素粒子と元素リチウム金属とバインダなどの1つ以上の他の電極成分とを含有する乾燥粒子混合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の炭素粒子、元素リチウム金属、および1つ以上の電極成分を含有する乾燥粒子混合物から、乾式処理によって電極フィルムを形成することができる。本明細書では、乾式処理または乾燥混合物は、あらゆる液体または溶媒を含まないかまたは実質的に含まない処理および混合物をいう。例えば、乾式処理によって乾燥粒子混合物から形成される電極フィルムは、そのような液体および/または溶媒からの残留物を実質的に含まなくてもよい。いくつかの実施形態では、例えばウェットスラリー溶液を形成して、電極フィルムを形成するための湿式処理が用いられる。いくつかの実施形態では、電極は、リチウムイオンバッテリまたはリチウムイオンキャパシタのアノードであってもよい。例えば、リチウムイオンバッテリまたはリチウムイオンキャパシタは、カソード、アノードおよびカソードとアノードとの間のセパレータを含むことができ、上記アノードは、複数の炭素粒子および元素リチウム金属を含有する電極フィルムを含む。いくつかの実施形態では、元素金属は、電極フィルム混合物の約0.1重量%、約0.3重量%、約0.5重量%、約0.7重量%、約1重量%、約1.5重量%、約2重量%、約2.5重量%、約3重量%、約3.5重量%、約4重量%、約4.5重量%、約5重量%、約6重量%、約7重量%、約8重量%、約9重量%または約10重量%をなすことができる。特定の実施形態では、元素金属は、電極フィルム混合物の約1重量%〜約5重量%をなすことができる。 In one embodiment, a mixture for producing an electrode of an energy storage device comprises a plurality of carbon particles and a plurality of elemental lithium metals, such as a plurality of elemental lithium metal particles. In some embodiments, the mixture is a dry particle mixture. In some embodiments, an electrode film for an electrode of an energy storage device comprises a dry particle mixture comprising a plurality of carbon particles, elemental lithium metal and one or more other electrode components such as a binder. it can. In some embodiments, an electrode film can be formed by dry processing from a dry particle mixture containing a plurality of carbon particles, elemental lithium metal, and one or more electrode components. As used herein, dry processing or dry mixture refers to treatments and mixtures that are free or substantially free of any liquid or solvent. For example, an electrode film formed from the dry particle mixture by dry processing may be substantially free of residue from such liquids and / or solvents. In some embodiments, wet processing is used, for example, to form a wet slurry solution to form an electrode film. In some embodiments, the electrode may be an anode of a lithium ion battery or lithium ion capacitor. For example, a lithium ion battery or lithium ion capacitor can include a cathode, an anode, and a separator between the cathode and the anode, the anode including a plurality of carbon particles and an electrode film containing elemental lithium metal. In some embodiments, the elemental metal is about 0.1 wt%, about 0.3 wt%, about 0.5 wt%, about 0.7 wt%, about 1 wt%, about 1.5 wt%, about 2 wt% of the electrode film mixture. About 2.5 wt%, about 3 wt%, about 3.5 wt%, about 4 wt%, about 4.5 wt%, about 5 wt%, about 6 wt%, about 7 wt%, about 8 wt%, about 9 wt% or It can be about 10% by weight. In certain embodiments, the elemental metal can comprise about 1% to about 5% by weight of the electrode film mixture.
いくつかの実施形態では、複数の炭素粒子および元素リチウム金属は、複数のリチウム−炭素複合粒子を含む。例えば、リチウム−炭素複合粒子は、導電性の多孔質炭素粒子およびその多孔質炭素粒子の細孔または中空チャネル内に元素リチウム金属を含むことができる。いくつかの実施形態では、細孔内の元素リチウム金属は、元素リチウム金属粒子を含む。いくつかの実施形態では、細孔内の元素リチウム金属は、再凝固された元素リチウム金属を含む。多孔質炭素粒子は、メソポーラスカーボン粒子であってもよい。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、活性炭素粒子、または階層的に構造化された炭素粒子であってもよい。いくつかの実施形態では、複数のリチウム−炭素複合粒子は、少なくともいくつかの細孔がいくつかの元素リチウム金属を受け入れる複数の多孔質炭素粒子を含む。いくつかの実施形態では、複数のリチウム−炭素複合粒子は、元素リチウム金属で充填されまたは実質的に充填された細孔を有する複数の多孔質炭素粒子を含む。本明細書でさらに詳細に説明されるように、いくつかの実施形態では、複数のリチウム−炭素複合粒子は、多孔質炭素粒子および元素リチウム金属粒子を、大気圧よりも低い圧力および室温より高い温度で、混ぜ合わせることによって製造される。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子および元素リチウム金属粒子は、周囲温度付近の温度下および大気圧付近の気圧下で混ぜ合わせることができる。多孔質炭素粒子および元素リチウム粒子は、アルゴンのような不活性ガスのみに曝露しながら、不活性条件下で、例えば混合容器などの容器内で混合して、複数のリチウム−炭素複合粒子を形成させることができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子および元素リチウム粒子を混合する工程は、多孔質炭素粒子および元素リチウム粒子をカーボネート蒸気またはカーボネート液体に曝露する工程を含むことができる。いくつかの実施形態では、複数のリチウム−炭素複合粒子は、粒子の外面の開口部内の元素リチウム金属上の固体電解質界面(SEI)層を含む。いくつかの実施形態では、SEI層を形成する工程は、複数のリチウム−炭素複合粒子をカーボネート蒸気に曝露する工程を含む。例えば、粒子の外面の細孔の開口部内の露出した元素リチウム金属は、カーボネート蒸気と反応することができ、それによってその露出した元素リチウム金属上にのみSEI層が形成され、または実質的に露出した元素リチウム金属上にのみ形成される。さらなる実施形態では、SEI層は、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ビニルカーボネート(VC)、プロピレンカーボネート(PC)、これらの組み合わせ、および/または同等のものから選択される1つ以上のカーボネートの反応生成物を含むことができる。さらなる実施形態では、SEI層は、本明細書で提供されるような導電性ポリマーを含むことができる。 In some embodiments, the plurality of carbon particles and the elemental lithium metal comprises a plurality of lithium-carbon composite particles. For example, the lithium-carbon composite particles can include elemental lithium metal in the conductive porous carbon particles and the pores or hollow channels of the porous carbon particles. In some embodiments, the elemental lithium metal in the pores comprises elemental lithium metal particles. In some embodiments, the elemental lithium metal in the pores comprises resolidified elemental lithium metal. The porous carbon particles may be mesoporous carbon particles. In some embodiments, the porous carbon particles may be activated carbon particles or hierarchically structured carbon particles. In some embodiments, the plurality of lithium-carbon composite particles comprises a plurality of porous carbon particles in which at least some of the pores receive some elemental lithium metal. In some embodiments, the plurality of lithium-carbon composite particles comprises a plurality of porous carbon particles having pores that are filled or substantially filled with elemental lithium metal. As described in further detail herein, in some embodiments, the plurality of lithium-carbon composite particles comprises porous carbon particles and elemental lithium metal particles at a pressure below atmospheric pressure and above room temperature Manufactured by mixing at temperature. In some embodiments, porous carbon particles and elemental lithium metal particles can be mixed at temperatures near ambient temperature and at atmospheric pressure near atmospheric pressure. Porous carbon particles and elemental lithium particles are mixed under inert conditions, for example in a container such as a mixing container, to form a plurality of lithium-carbon composite particles, while being exposed only to an inert gas such as argon. It can be done. In some embodiments, mixing the porous carbon particles and the elemental lithium particles can include exposing the porous carbon particles and the elemental lithium particles to a carbonate vapor or carbonate liquid. In some embodiments, the plurality of lithium-carbon composite particles comprises a solid electrolyte interface (SEI) layer on elemental lithium metal in the opening of the outer surface of the particle. In some embodiments, forming the SEI layer includes exposing the plurality of lithium-carbon composite particles to carbonate vapor. For example, exposed elemental lithium metal in the openings of the pores of the outer surface of the particle can react with the carbonate vapor, thereby forming or substantially exposing the SEI layer only on the exposed elemental lithium metal It is formed only on the element lithium metal. In further embodiments, the SEI layer is ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), vinyl carbonate (VC), propylene carbonate (PC), combinations thereof, And / or reaction products of one or more carbonates selected from equivalents may be included. In further embodiments, the SEI layer can include a conductive polymer as provided herein.
別の実施形態では、複数の炭素粒子および元素リチウム金属は、元素リチウム金属およびグラファイト粒子を含有する混合物を含む。いくつかの実施形態では、元素リチウム金属は、複数の元素リチウム金属粒子を含む。いくつかの実施形態では、元素リチウム金属は、グラファイト粒子の少なくともいくつかの1つ以上の表面の元素リチウム金属によるコーティングを含む。例えば、混合物は、グラファイト粒子、および元素リチウム金属粒子および/またはグラファイト粒子の表面の元素リチウム金属によるコーティングを含む均質または実質的に均質な混合物であってもよい。混合物は、バルク元素リチウム金属を用いて形成することができる。例えば、そのバルク元素リチウム金属は、サイズを小さくして、所望のサイズの複数の元素リチウム金属粒子および/またはグラファイト粒子の少なくともいくつかの表面のコーティングにすることができる。いくつかの実施形態では、グラファイト粒子およびバルク元素リチウム金属をブレンドして、バルク元素リチウム金属のサイズを小さくし、グラファイト粒子および元素リチウム金属を含有する混合物を得る。 In another embodiment, the plurality of carbon particles and elemental lithium metal comprises a mixture containing elemental lithium metal and graphite particles. In some embodiments, the elemental lithium metal comprises a plurality of elemental lithium metal particles. In some embodiments, the elemental lithium metal comprises a coating of elemental lithium metal on at least some of one or more surfaces of the graphite particles. For example, the mixture may be a homogeneous or substantially homogeneous mixture comprising graphite particles and a coating of elemental lithium metal particles and / or elemental lithium metal on the surface of the graphite particles. The mixture can be formed using bulk elemental lithium metal. For example, the bulk elemental lithium metal can be reduced in size to a coating of at least some surfaces of a plurality of elemental lithium metal particles and / or graphite particles of a desired size. In some embodiments, graphite particles and bulk elemental lithium metal are blended to reduce the size of the bulk elemental lithium metal to obtain a mixture containing graphite particles and elemental lithium metal.
本明細書では、エネルギー貯蔵装置に使用するためのプレドープされた電極を製造する方法を開示する。いくつかの実施形態では、プレ(予め)リチウム化された電極または本明細書に記載の1つ以上の組成物を含有する望ましい量のリチウム金属でプレドープされた電極は、エネルギー密度の性能が改善されることが実証される。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の1つ以上の組成物を含有する電極は、最初の充放電サイクル後にエネルギー貯蔵装置によって示される不可逆容量損失を補償するように構成することができる。例えば、多孔質炭素粒子に添加され、および/またはグラファイト粒子と混ぜ合わされるある量の元素リチウム金属は、所望の程度プレリチウム化またはプレドープして、例えば不可逆容量損失を所望の程度補償することができる。 Disclosed herein is a method of manufacturing a pre-doped electrode for use in an energy storage device. In some embodiments, a pre-lithiated electrode or an electrode pre-doped with a desirable amount of lithium metal containing one or more of the compositions described herein has improved energy density performance It is demonstrated that In some embodiments, an electrode containing one or more of the compositions described herein can be configured to compensate for the irreversible capacity loss exhibited by the energy storage device after the first charge and discharge cycle. . For example, an amount of elemental lithium metal added to the porous carbon particles and / or mixed with the graphite particles can be prelithiated or predoped to the desired degree, for example to compensate for the irreversible capacity loss to the desired degree .
アノードとカソードの両方がプレドープされたエネルギー貯蔵装置も提供される。そのような実施形態では、アノードおよびカソードは、独立したプレドープ工程なしに金属イオンでプレドープされてもよい。例えば、本明細書に示すような元素金属を含有する電極フィルムを含む第1電極と、第2電極とを含むエネルギー貯蔵装置の場合、第2電極は、独立したプレドープ工程なしにプレドープされてもよい。具体的には、電解質と接触すると、第1電極の元素金属は第2電極に拡散し、第2電極のプレドープイオン源となる。いくつかの実施形態では、プレドープされたエネルギー貯蔵装置を製造する方法は、独立したプレドープ工程を含まなくてもよい。 Also provided is an energy storage device in which both the anode and the cathode are pre-doped. In such embodiments, the anode and cathode may be pre-doped with metal ions without a separate pre-doping step. For example, in the case of an energy storage device comprising a first electrode comprising an electrode film containing an elemental metal as described herein and a second electrode, the second electrode may be pre-doped without a separate pre-doping step Good. Specifically, when in contact with the electrolyte, the elemental metal of the first electrode diffuses to the second electrode and becomes the pre-doped ion source of the second electrode. In some embodiments, the method of making a pre-doped energy storage device may not include a separate pre-doping step.
本明細書はリチウム金属に関して主に記載されているが、本明細書に記載の装置および/または処理方法は、炭素およびリチウムおよび/または1つ以上の他の金属を含む組成物を得るために適用してもよい。例えば、本明細書に記載の装置および/または処理は、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウムおよびアルミニウムの1つ以上を含む組成物を得るために適用してもよい。実施形態は、本明細書で「元素リチウム金属」として定義されて用いられる「元素」状態にあるこれらの金属の1つ以上を含んだ形態で、実施することができる。 Although the specification is primarily described with respect to lithium metal, the devices and / or processing methods described herein may be used to obtain compositions comprising carbon and lithium and / or one or more other metals. It may apply. For example, the devices and / or processes described herein may be applied to obtain compositions comprising one or more of lithium, sodium, potassium, magnesium and aluminum. Embodiments can be practiced including one or more of these metals in the "elemental" state, which is defined and used herein as "elemental lithium metal."
いくつかの実施形態では、炭素粒子などの電極活物質、および元素金属を、1つ以上の他の電極フィルム成分と混ぜ合わせて、電極フィルム混合物を提供することができる。1つ以上の他の電極フィルム成分は、バインダおよび/または1つ以上の他の電極活物質の成分(以下、電極活成分という)を含むことができる。いくつかの実施形態では、バインダは、例えばフィブリル化可能なポリマーなどの、フィブリル化可能なバインダを含むことができる。いくつかの実施形態では、バインダは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフィブリル化可能なフルオロポリマーを含む。いくつかの実施形態では、バインダは、PTFE、パーフルオロポリオレフィン、ポリプロピレン、ポリエチレン、それらのコポリマー、および/またはそれらのポリマー混合物を含む。いくつかの実施形態では、電極フィルム混合物は、フィブリル化可能なフルオロポリマーのような単一のバインダ材からなるバインダを含有する。例えば、電極フィルム混合物は、単一のバインダ材のみを含有していてよく、この単一のバインダ材は、例えばPTFEである。いくつかの実施形態では、1つ以上の他の電極活成分は、硬質炭素、軟質炭素、グラフェン、メソポーラスカーボン、シリコン、酸化ケイ素、スズ、酸化スズ、ゲルマニウム、アンチモン、チタン酸リチウム、二酸化チタン、混合物、合金、上記材料の複合体、および/または同等のものを含むことができる。特定の実施形態では、電極フィルム混合物は、本質的に、元素金属粒子、炭素粒子、およびフィブリル化可能なバインダ粒子からなる。特定の実施形態では、電極フィルム混合物は、元素金属粒子、炭素粒子、およびフィブリル化可能なバインダ粒子からなる。 In some embodiments, an electrode active material, such as carbon particles, and an elemental metal can be combined with one or more other electrode film components to provide an electrode film mixture. One or more other electrode film components can include a binder and / or one or more other electrode active material components (hereinafter referred to as electrode active components). In some embodiments, the binder can include a fibriltable binder, such as, for example, a fibriltable polymer. In some embodiments, the binder comprises a fibrillated fluoropolymer, such as polytetrafluoroethylene (PTFE). In some embodiments, the binder comprises PTFE, perfluoropolyolefin, polypropylene, polyethylene, copolymers thereof, and / or polymer mixtures thereof. In some embodiments, the electrode film mixture contains a binder consisting of a single binder material, such as a fibrillated fluoropolymer. For example, the electrode film mixture may contain only a single binder material, which is, for example, PTFE. In some embodiments, the one or more other electrode active components are hard carbon, soft carbon, graphene, mesoporous carbon, silicon, silicon oxide, tin, tin oxide, germanium, antimony, lithium titanate, titanium dioxide, Mixtures, alloys, composites of the above materials, and / or the like can be included. In certain embodiments, the electrode film mixture consists essentially of elemental metal particles, carbon particles, and fibrillatable binder particles. In a particular embodiment, the electrode film mixture consists of elemental metal particles, carbon particles, and fibrillated binder particles.
図1は、エネルギー貯蔵装置100の一例の側面断面の概略図である。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置100は、電気化学装置であってもよい。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置100は、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウムおよび/またはアルミニウムをベースとするエネルギー貯蔵装置とすることができる。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置100は、リチウムイオンバッテリのようなリチウムをベースとするバッテリであってもよい。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置100は、リチウムイオンキャパシタなどのリチウムをベースとするキャパシタであってもよい。当然、他のエネルギー貯蔵装置も本発明の範囲に含まれ、キャパシタ−バッテリハイブリッドおよび/または燃料電池を含むことができる。エネルギー貯蔵装置100は、第1電極102、第2電極104、および第1電極102と第2電極104との間に配置されたセパレータ106を備えていてもよい。例えば、第1電極102および2の電極104は、セパレータ106の対向する面にそれぞれ隣り合わせで設けられていてもよい。 FIG. 1 is a schematic view of a side cross section of an example energy storage device 100. In some embodiments, energy storage device 100 may be an electrochemical device. In some embodiments, the energy storage device 100 can be an energy storage device based on lithium, sodium, potassium, magnesium and / or aluminum. In some embodiments, energy storage device 100 may be a lithium based battery, such as a lithium ion battery. In some embodiments, the energy storage device 100 may be a lithium based capacitor such as a lithium ion capacitor. Of course, other energy storage devices are included within the scope of the present invention and may include capacitor-battery hybrids and / or fuel cells. The energy storage device 100 may include a first electrode 102, a second electrode 104, and a separator 106 disposed between the first electrode 102 and the second electrode 104. For example, the electrodes 104 of the first electrodes 102 and 2 may be provided adjacent to each other on the facing surfaces of the separator 106.
第1電極102はカソードを含んでもよく、第2電極104はアノードを含んでもよく、またはこれらは逆であってもよい。いくつかの実施形態では、第1電極102は、リチウムイオンキャパシタのカソードを含むことができる。いくつかの実施形態では、第1電極102はリチウムイオンキャパシタのカソードを含むことができ、第2電極104はリチウムイオンキャパシタのアノードを含むことができる。さらなる実施形態では、第1電極102は、リチウムイオンバッテリのカソードを含むことができ、第2電極104は、リチウムイオンバッテリのアノードを含むことができる。 The first electrode 102 may include a cathode, the second electrode 104 may include an anode, or the like. In some embodiments, the first electrode 102 can include the cathode of a lithium ion capacitor. In some embodiments, the first electrode 102 can include a cathode of a lithium ion capacitor, and the second electrode 104 can include an anode of a lithium ion capacitor. In a further embodiment, the first electrode 102 can comprise the cathode of a lithium ion battery and the second electrode 104 can comprise the anode of the lithium ion battery.
エネルギー貯蔵装置100は、エネルギー貯蔵装置100の両電極102,104間のイオンの伝達を容易に可能にする電解質122を含むことができる。例えば、電解質122は、第1電極102、第2電極104、およびセパレータ106と接していてもよい。電解質122、第1電極102、第2電極104、およびセパレータ106は、エネルギー貯蔵装置のハウジング120内に収められていてもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置のハウジング120は、第1電極102、第2電極104、およびセパレータ106を挿入し、ならびにエネルギー貯蔵装置100に電解質122を充満させた後、密閉してもよく、例えば、第1電極102、第2電極104、セパレータ106、および電解質122が、ハウジング120の外部から物理的に密閉されるようにしてもよい。 The energy storage device 100 can include an electrolyte 122 that facilitates the transfer of ions between the two electrodes 102, 104 of the energy storage device 100. For example, the electrolyte 122 may be in contact with the first electrode 102, the second electrode 104, and the separator 106. The electrolyte 122, the first electrode 102, the second electrode 104, and the separator 106 may be contained within the housing 120 of the energy storage device. For example, the housing 120 of the energy storage device may be sealed after inserting the first electrode 102, the second electrode 104, and the separator 106 and filling the energy storage device 100 with the electrolyte 122, eg, The first electrode 102, the second electrode 104, the separator 106, and the electrolyte 122 may be physically sealed from the outside of the housing 120.
セパレータ106は、そのセパレータによって分離された2つの電極を電気的に絶縁するように構成することができる。例えば、セパレータ106は、セパレータ106の対向する両側に配置された2つの電極、例えば第1電極102および第2電極104を電気的に絶縁し、その一方で2つの電極間のイオン伝達を可能にするように構成することができる。 Separator 106 can be configured to electrically insulate the two electrodes separated by the separator. For example, the separator 106 electrically isolates two electrodes arranged on opposite sides of the separator 106, such as the first electrode 102 and the second electrode 104, while allowing ion transfer between the two electrodes Can be configured to
図1に示すように、第1電極102および第2電極104は、それぞれ第1集電体108および第2集電体110を含む。第1集電体108および第2集電体110は、対応する電極と外部回路(図示せず)との間の電気的結合を容易にすることができる。 As shown in FIG. 1, the first electrode 102 and the second electrode 104 respectively include a first current collector 108 and a second current collector 110. The first current collector 108 and the second current collector 110 can facilitate electrical coupling between corresponding electrodes and an external circuit (not shown).
第1電極102は、第1集電体108の第1の表面(例えば、第1集電体108の上面)上の第1電極フィルム112(例えば、上部電極フィルム)と、第1集電体108の第2の対向する表面(例えば、第1集電体108の下面)上の第2電極フィルム114(例えば、下部電極フィルム)とを備えていてもよい。同様に、第2電極104は、第2集電体110の第1表面(例えば、第2集電体110の上面)上の第1電極フィルム116(例えば、上部電極フィルム)と、第2集電体110の第2の対向する表面(例えば、第2集電体110の下面)上の第2電極フィルム118を備えていてもよい。例えば、セパレータ106が、第1電極102の第2電極フィルム114および第2電極104の第1電極フィルム116に隣り合わせとなるように、第2集電体110の第1の表面は、第1集電体108の第2の表面と向かい合うことができる。電極フィルム112,114,116および/または118は、様々な適切な形状、サイズ、および/または厚さを有することができる。例えば、電極フィルムは、約80μm〜約150μmを含む、約60μm〜約1,000μmの厚さを有することができる。 The first electrode 102 includes a first electrode film 112 (e.g., an upper electrode film) on a first surface of the first current collector 108 (e.g., the upper surface of the first current collector 108), and a first current collector A second electrode film 114 (e.g., a lower electrode film) on a second opposing surface of 108 (e.g., the lower surface of the first current collector 108) may be provided. Similarly, the second electrode 104 includes a first electrode film 116 (e.g., an upper electrode film) on a first surface of the second current collector 110 (e.g., an upper surface of the second current collector 110) A second electrode film 118 may be provided on the second opposing surface of the current collector 110 (e.g., the lower surface of the second current collector 110). For example, the first surface of the second current collector 110 is a first collection such that the separator 106 is adjacent to the second electrode film 114 of the first electrode 102 and the first electrode film 116 of the second electrode 104. It can face the second surface of the current collector 108. The electrode films 112, 114, 116 and / or 118 can have various suitable shapes, sizes, and / or thicknesses. For example, the electrode film can have a thickness of about 60 μm to about 1,000 μm, including about 80 μm to about 150 μm.
いくつかの実施形態では、図1を参照して説明した電極フィルム112,114,116および/または118などの電極フィルムは、複数の炭素粒子および本明細書で示されるような複数の元素リチウム金属粒子などの元素リチウム金属を含有することができ、電極フィルムをリチウムでプレドープするかまたはプレリチオ化することができる。特定の実施形態では、複数の電極フィルム112,114,116および118は、本明細書で示されるような元素金属および炭素混合物を含有し、またはそれらを処理工程で含有させるようにして製造される。 In some embodiments, electrode films such as the electrode films 112, 114, 116 and / or 118 described with reference to FIG. 1 comprise a plurality of carbon particles and a plurality of elemental lithium metals as set forth herein. It can contain elemental lithium metal such as particles, and the electrode film can be pre-doped or prelithiated with lithium. In certain embodiments, the plurality of electrode films 112, 114, 116 and 118 contain or are manufactured to include in the processing step an elemental metal and carbon mixture as provided herein. .
いくつかの実施形態では、複数の炭素粒子および元素リチウム金属を含有する電極フィルムを有し、所望の量のリチウムでプレドープされた電極は、エネルギー性能が改善されたエネルギー貯蔵装置を提供することができる。例えば、電極は、エネルギー貯蔵装置の最初の充電および放電の間に生じる不可逆容量損失を所望の程度補償するように、プレドープされていてもよい。いくつかの実施形態では、電極は、所定量のリチウム−炭素複合粒子またはグラファイト粒子および元素リチウム金属粒子の混合物を含有する1つ以上の電極フィルムを有することができ、これによってエネルギー貯蔵装置は、プレドープされた電極を含まないエネルギー貯蔵装置と比較して、不可逆容量損失が抑えられることが実証される。 In some embodiments, an electrode film having a plurality of carbon particles and an elemental lithium metal, the electrode pre-doped with a desired amount of lithium provides an energy storage device with improved energy performance. it can. For example, the electrodes may be pre-doped to compensate for the desired degree of irreversible capacity loss that occurs during the first charge and discharge of the energy storage device. In some embodiments, the electrode can have one or more electrode films containing a predetermined amount of lithium-carbon composite particles or a mixture of graphite particles and elemental lithium metal particles, whereby the energy storage device comprises It is demonstrated that irreversible capacity loss is reduced compared to energy storage devices that do not include pre-doped electrodes.
本明細書で示されるように、いくつかの実施形態では、複数の炭素粒子および元素リチウム金属粒子は、複数のリチウム−炭素複合粒子を含む。いくつかの実施形態では、リチウム−炭素複合粒子は、細孔内に複数の元素リチウム金属粒子などの元素リチウム金属を有する多孔質炭素粒子を含む。 As provided herein, in some embodiments, the plurality of carbon particles and the elemental lithium metal particles comprise a plurality of lithium-carbon composite particles. In some embodiments, the lithium-carbon composite particles comprise porous carbon particles having elemental lithium metal such as a plurality of elemental lithium metal particles in the pores.
元素リチウム金属の露出部分は、元素リチウム金属の望ましくない化学反応の可能性を低減するために、保護SEI層で覆われてもよい。本明細書に記載される元素リチウム金属の露出部分は、細孔内に露出するが対応する多孔質炭素粒子の外面下にある部分、または露出しているが対応する多孔質炭素粒子の外面とほぼ並んでいる部分、または細孔キャビティおよび各多孔質炭素粒子の外面から突出している部分であってもよい。したがって、いくつかの実施形態では、元素リチウム粒子は、それぞれ2つの部分を含むことができる:一つは、炭素粒子の細孔内で、例えば表面接触によりまたはシーリング(密閉)によって本質的に保護された非露出部分であり、もう一つは、細孔内であってもよいが表面接触はなく、密封されていない部分、すなわち外部の化学反応から保護されていない露出部分である。例えば、SEI層を形成して覆うことによって、元素リチウム金属粒子の露出部分は、望ましくない外部との化学反応の可能性を低減することができる。SEI層は、元素リチウム−炭素粒子混合物または元素リチウム−炭素複合粒子混合物を、本明細書で示されるようにカーボネート蒸気に曝露することによって、生成することができる。 Exposed portions of elemental lithium metal may be covered with a protective SEI layer to reduce the possibility of unwanted chemical reactions of elemental lithium metal. The exposed portions of the elemental lithium metal described herein are exposed within the pores but under the corresponding outer surface of the porous carbon particle, or with the exposed but corresponding outer surface of the porous carbon particle It may be a portion that is substantially aligned, or a portion that protrudes from the pore cavity and the outer surface of each porous carbon particle. Thus, in some embodiments, elemental lithium particles can each comprise two parts: one essentially protected, for example by surface contact or by sealing, within the pores of the carbon particles The other is a non-exposed part which may be in the pore but without surface contact and which is an unsealed part, ie an exposed part which is not protected from external chemical reactions. For example, by forming and covering the SEI layer, exposed portions of the elemental lithium metal particles can reduce the possibility of unwanted external chemical reactions. The SEI layer can be produced by exposing elemental lithium-carbon particle mixture or elemental lithium-carbon composite particle mixture to carbonate vapor as indicated herein.
図2A〜図2Fは、元素リチウム金属粒子などの元素リチウム金属を多孔質炭素粒子の細孔への導入と、それに続く、該リチウム元素金属粒子の露出部分を覆う固体電解質界面(SEI)層の形成とを示す概略図である。図2Aは、多孔質炭素粒子200の一例の概略断面図である。図2Aに示されるように、多孔質炭素粒子は、その中に延びる複数の中空チャネルまたは細孔202を有することができる。図2Bは、拡大倍率のより高い多孔質炭素粒子200の概略断面図であり、多孔質炭素粒子200内に延びるいくつかの中空チャネルまたは細孔202の断面図を示す。図2Cは、多孔質炭素粒子200内の中空チャネルまたは細孔202に相当する多孔質炭素粒子200の外面の開口204を示す概略図である。図2Dは、元素リチウム金属206を含む多孔質炭素粒子200内の中空チャネルまたは細孔202の概略断面図である。例えば、元素リチウム金属206は、元素リチウム金属粒子を含むことができる。例えば、中空チャネルまたは細孔202は、元素リチウム金属206で充填されまたは実質的に充填されていてもよい。図2Eは、粒子200内に延びて中に元素リチウム金属206を有する中空チャネルまたは細孔202に対応する多孔質炭素粒子200の外面の開口部204を示す。図2Fは、図2Dに示される多孔質炭素粒子200の外面の開口部202内の露出したリチウム金属206上のSEI層208を示す概略図である。 FIGS. 2A-2F illustrate the introduction of elemental lithium metal, such as elemental lithium metal particles, into the pores of porous carbon particles, followed by a solid electrolyte interface (SEI) layer covering the exposed portions of the lithium elemental metal particles. FIG. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of an example of the porous carbon particle 200. As shown in FIG. 2A, porous carbon particles can have a plurality of hollow channels or pores 202 extending therethrough. FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of the higher magnification porous carbon particle 200, showing a cross-sectional view of several hollow channels or pores 202 extending into the porous carbon particle 200. FIG. 2C is a schematic view showing the openings 204 on the outer surface of the porous carbon particle 200 corresponding to the hollow channels or pores 202 in the porous carbon particle 200. FIG. 2D is a schematic cross-sectional view of a hollow channel or pore 202 in a porous carbon particle 200 comprising elemental lithium metal 206. For example, elemental lithium metal 206 can include elemental lithium metal particles. For example, the hollow channels or pores 202 may be filled or substantially filled with elemental lithium metal 206. FIG. 2E shows an opening 204 on the outer surface of the porous carbon particle 200 corresponding to a hollow channel or pore 202 extending into the particle 200 and having elemental lithium metal 206 therein. FIG. 2F is a schematic diagram showing the SEI layer 208 on the exposed lithium metal 206 in the opening 202 of the outer surface of the porous carbon particle 200 shown in FIG. 2D.
いくつかの実施形態では、細孔表面と接触している元素リチウムの部分などの、元素リチウム金属のいくつかの部分は、1つ以上の細孔表面の1つ以上の成分によってイオン化されてもよい。例えば、元素リチウムのいくつかの部分は、炭素粒子の細孔表面の1つ以上の成分と反応して酸化され、電子伝達反応に関与し、その一方で、元素リチウム金属の残りの部分はゼロの酸化状態を維持することができる。 In some embodiments, some portions of elemental lithium metal, such as portions of elemental lithium in contact with the pore surface, may also be ionized by one or more components of the one or more pore surfaces Good. For example, some portions of elemental lithium are reacted and oxidized with one or more components of the pore surface of the carbon particle to participate in the electron transfer reaction, while the remaining portion of elemental lithium metal is zero Can maintain its oxidation state.
本明細書で論じるように、図2を参照して記載したものなどの多孔質炭素粒子は、約1μm〜約15μmまたは約1μm〜約10μmを含む、約1μm〜約20μmの累積粒子径D50を有することができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、約2nm〜約2μmの直径の細孔を有することができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、粒子の直径の約2%〜約10%の直径を有する細孔を有することができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子の細孔は、炭素粒子の体積の約10%〜約80%を占めることができる。いくつかの実施形態では、元素リチウム粒子のサイズは、所望量の元素リチウム金属を多孔質炭素粒子の細孔に挿入できるように、多孔質炭素粒子の細孔サイズに基づいて選択することができる。 As discussed herein, porous carbon particles such as those described with reference to FIG. 2 have a cumulative particle size D 50 of about 1 μm to about 20 μm, including about 1 μm to about 15 μm or about 1 μm to about 10 μm. You can have In some embodiments, porous carbon particles can have pores with a diameter of about 2 nm to about 2 μm. In some embodiments, porous carbon particles can have pores with a diameter of about 2% to about 10% of the diameter of the particles. In some embodiments, the pores of the porous carbon particles can occupy about 10% to about 80% of the volume of the carbon particles. In some embodiments, the size of the elemental lithium particles can be selected based on the pore size of the porous carbon particles such that the desired amount of elemental lithium metal can be inserted into the pores of the porous carbon particles .
本明細書でさらに詳細に説明するように、いくつかの実施形態では、対応する多孔質炭素粒子の外面の開口部内の元素リチウム金属の露出部分をカーボネート蒸気に曝露することができる。その蒸気は、露出したリチウム金属と反応して、その露出した元素リチウム金属部分を覆う保護SEI層を形成することができる。例えば、SEI層は、多孔質炭素粒子の外面の近くまたは外面にある細孔の開口部に露出している元素リチウム金属部分を覆うことができる。SEI層は、リチウム金属とカーボネート蒸気との反応により形成されてもよい。いくつかの実施形態では、例えば、約50%、約40%または約30%まで、多孔質炭素粒子の外面の一部のみがSEI層によって覆われる。いくつかの実施形態では、SEI層は、露出したリチウム金属の上にのみ形成されまたは実質的に露出したリチウム金属の上にのみ形成され、その一方で、リチウム−炭素複合粒子の外面の炭素部分は、SEI層を含まないかまたは実質的にSEI層を含まない。いくつかの実施形態では、SEI層は、リチウム金属の外部環境とのさらなる反応を低減または防止する一方で、それを通して電子およびイオンの輸送を可能にし、リチウム−炭素粒子が電極の一部として使用される場合にリチウム金属の電気化学エネルギーが利用されることを促進することができる。SEI層は、その後リチウム−炭素複合粒子を取り扱う間においても、もとの状態を維持することができる。このように、リチウム−炭素複合粒子は、元素リチウムの望ましくない反応の可能性を減少させながら、元素リチウム金属を湿式または乾式処理において、原料として使用することを可能にする。 As described in further detail herein, in some embodiments, exposed portions of elemental lithium metal in the openings of the outer surface of the corresponding porous carbon particles can be exposed to carbonate vapor. The vapor can react with the exposed lithium metal to form a protective SEI layer covering the exposed elemental lithium metal portion. For example, the SEI layer can cover the elemental lithium metal portion exposed at the openings of the pores near or at the outer surface of the porous carbon particles. The SEI layer may be formed by the reaction of lithium metal and carbonate vapor. In some embodiments, for example, up to about 50%, about 40% or about 30%, only a portion of the outer surface of the porous carbon particles is covered by the SEI layer. In some embodiments, the SEI layer is formed only on exposed lithium metal or substantially only on exposed lithium metal, while the carbon portion of the outer surface of the lithium-carbon composite particle Is free of, or substantially free of, the SEI layer. In some embodiments, the SEI layer allows transport of electrons and ions therethrough while reducing or preventing further reaction of the lithium metal with the external environment, wherein lithium-carbon particles are used as part of the electrode When used, lithium metal electrochemical energy can be promoted to be utilized. The SEI layer can then maintain its original state while handling the lithium-carbon composite particles. Thus, the lithium-carbon composite particles allow elemental lithium metal to be used as a feedstock in wet or dry processing while reducing the possibility of undesirable reactions of elemental lithium.
別の実施形態では、複数の炭素粒子および元素リチウム金属粒子は、グラファイト粒子および元素リチウム金属粒子を含有する混合物を含む。本明細書でさらに詳細に説明するように、グラファイト粒子と元素リチウム金属粒子とを含有する混合物は、グラファイト粒子をバルク元素リチウム金属と混ぜ合わせ、バルク元素リチウム金属の粒子サイズを小さくして、グラファイト粒子と所望の大きさの元素リチウム金属粒子とを含有する混合物を得るようにしてもよい。いくつかの実施形態では、グラファイト粒子およびリチウム金属粒子は、均質または実質的に均質な混合物を形成する。 In another embodiment, the plurality of carbon particles and elemental lithium metal particles comprise a mixture comprising graphite particles and elemental lithium metal particles. As described in more detail herein, a mixture containing graphite particles and elemental lithium metal particles comprises combining graphite particles with bulk elemental lithium metal to reduce the particle size of the bulk elemental lithium metal, and It is also possible to obtain a mixture containing particles and elemental lithium metal particles of the desired size. In some embodiments, the graphite particles and the lithium metal particles form a homogeneous or substantially homogeneous mixture.
グラファイト粒子およびバルク元素リチウム金属は、リチウム炭素複合粒子に関して記載したのと同等の処理条件下で混ぜ合わせることができる。グラファイト粒子およびバルク元素リチウム金属は、乾式処理でバインダと混合され、溶媒その他液体を使用せずに圧縮されて自立型のフィルムを形成することができる。このような実施形態で、そのような成分を湿式処理でのフィルム形成に使用する場合に特有の反応性または爆発の危険性を回避することができる。 Graphite particles and bulk elemental lithium metal can be combined under processing conditions equivalent to those described for lithium carbon composite particles. Graphite particles and bulk elemental lithium metal can be mixed with a binder in a dry process and compressed without using solvents or other liquids to form free standing films. In such embodiments, the risk of reactivity or explosion that is inherent when using such components for film formation in wet processing can be avoided.
本明細書で論じるように、バルク元素リチウム金属は、約1mm3を超える体積を有することができる。バルク元素リチウム金属は、サイズを小さくして元素リチウム金属粒子とすることができる。いくつかの実施形態では、元素リチウム金属粒子は、約0.5μm〜約10μmの累積粒子径D50を有することができる。いくつかの実施形態では、元素リチウム金属粒子は、約1μm〜約10μmまたは約1μm〜約5μmの累積粒子径D50を有することができる。例えば、バルク元素リチウム金属の1つ以上の金属片は、本明細書に記載されている1つ以上の処理によって、約1mm3の体積からサイズを小さくさせて、約0.5μm〜約10μmの累積粒子径D50を有する複数の元素リチウム粒子とすることができる。いくつかの実施形態では、グラファイト粒子および元素リチウム金属粒子を含有する混合物は、約1μm〜約20μmの累積粒子径D50を有するグラファイト粒子および約0.5μm〜約10μmの累積粒子径D50を有する元素リチウム金属粒子を含有する。 As discussed herein, bulk elemental lithium metal can have a volume of greater than about 1 mm 3 . Bulk elemental lithium metal can be reduced in size to provide elemental lithium metal particles. In some embodiments, the elemental lithium metal particles can have a cumulative particle size D 50 of about 0.5 μm to about 10 μm. In some embodiments, the elemental lithium metal particles can have a cumulative particle size D 50 of about 1 μm to about 10 μm, or about 1 μm to about 5 μm. For example, one or more pieces of bulk elemental lithium metal may be reduced in size from about 1 mm 3 in volume to about 0.5 μm to about 10 μm by one or more of the treatments described herein. It may be a plurality of elemental lithium particles having a particle diameter D 50. In some embodiments, the mixture containing graphite particles and elemental lithium metal particles have a cumulative particle diameter D 50 of the graphite particles and about 0.5μm~ about 10μm with a cumulative particle diameter D 50 of about 1μm~ about 20μm Contains elemental lithium metal particles.
(方法)
図3は、複数の炭素粒子および元素リチウム金属を含有する混合物を調製するための、例としての処理工程300を示す。いくつかの実施形態では、複数のリチウム−炭素複合粒子を形成する処理工程は、処理工程300を含む。いくつかの実施形態では、複数のグラファイト粒子および複数の元素リチウム金属粒子を含有する混合物を形成するための処理工程は、処理工程300を含む。図3のブロック302に示すように、炭素粒子を与えることができる。例えば、炭素粒子は、リチウム−炭素複合粒子を調製するための多孔質炭素粒子、またはグラファイトとリチウム金属とを含有する混合物を調製するためのグラファイト粒子を含むことができる。
(Method)
FIG. 3 shows an exemplary process 300 for preparing a mixture containing a plurality of carbon particles and elemental lithium metal. In some embodiments, the process of forming the plurality of lithium-carbon composite particles comprises process 300. In some embodiments, a process step for forming a mixture containing a plurality of graphite particles and a plurality of elemental lithium metal particles comprises process step 300. Carbon particles can be provided as shown in block 302 of FIG. For example, the carbon particles can include porous carbon particles for preparing lithium-carbon composite particles, or graphite particles for preparing a mixture containing graphite and lithium metal.
ブロック304において、元素リチウム金属を与える。いくつかの実施形態では、リチウム−炭素複合粒子を形成するためにリチウム粒子を与える。いくつかの実施形態では、グラファイトとリチウム金属とを含有する混合物を調製するために、バルク元素リチウム金属を与える。ブロック306において、炭素粒子および元素リチウム金属を混ぜ合わせて、複数の炭素粒子および元素リチウム金属を含有する混合物を与えることができる。その混合物は、乾燥粒子混合物を含むことができる。例えば、元素リチウム金属粒子を多孔質炭素粒子の細孔に挿入してリチウム−炭素複合粒子を形成するように、元素リチウム金属粒子を多孔質炭素粒子と混合することができる。例えば、バルク元素リチウム金属およびグラファイト粒子を混合して、バルク元素リチウム金属のサイズを小さくすることができる。いくつかの実施形態では、バルク元素リチウム金属を小さくして、所望のサイズのリチウム金属粒子を与え、リチウム金属粒子およびグラファイト粒子を含有する混合物を与えることができる。いくつかの実施形態では、バルク元素リチウム金属の少なくとも一部は、バルク元素リチウム金属のサイズを小さくする間に溶融することができ、その溶融したリチウム金属は、グラファイト粒子のいくつかの少なくとも一部にコーティングを形成することができる。 At block 304, elemental lithium metal is provided. In some embodiments, lithium particles are provided to form lithium-carbon composite particles. In some embodiments, bulk elemental lithium metal is provided to prepare a mixture containing graphite and lithium metal. At block 306, carbon particles and elemental lithium metal can be combined to provide a mixture containing a plurality of carbon particles and elemental lithium metal. The mixture can include a dry particle mixture. For example, the elemental lithium metal particles can be mixed with the porous carbon particles such that the elemental lithium metal particles are inserted into the pores of the porous carbon particles to form a lithium-carbon composite particle. For example, bulk elemental lithium metal and graphite particles can be mixed to reduce the size of bulk elemental lithium metal. In some embodiments, the bulk elemental lithium metal can be reduced to provide lithium metal particles of a desired size, and to provide a mixture containing lithium metal particles and graphite particles. In some embodiments, at least a portion of the bulk elemental lithium metal can be melted while reducing the size of the bulk elemental lithium metal, the molten lithium metal being at least a portion of some of the graphite particles Can form a coating.
処理工程300は、リチウム−炭素複合粒子を形成する処理工程ならびに/またはリチウム金属およびグラファイト粒子の混合物を形成する処理工程に関して本明細書に記載された、温度、圧力、および/または不活性条件下で行うことができる。いくつかの実施形態では、処理工程300の少なくとも一部は、カーボネート液体または蒸気の使用を含む。いくつかの実施形態では、処理工程300の少なくとも一部は、カーボネート蒸気を含む雰囲気下で、および/または炭素および元素リチウム金属のカーボネート液体への曝露の下で行うことができる。例えば、多孔質炭素粒子および元素リチウム金属を混ぜ合わせることは、例えば、多孔質炭素粒子および元素リチウム金属をカーボネート蒸気に曝露することにより、カーボネート蒸気を含む雰囲気下で行うことができる。例えば、多孔質炭素粒子および元素リチウム金属を混ぜ合わせることは、多孔質炭素粒子および元素リチウム金属をカーボネート液体に曝露することを含むことができる。いくつかの実施形態では、溶融した元素リチウム金属をカーボネート蒸気および/またはカーボネート液体に曝露することによって、溶融した元素リチウム金属の表面張力の低下を促進し、例えば、それによって、溶融した元素リチウム金属の湿潤性を高め、元素リチウム金属を多孔質炭素粒子の細孔に導く。 Process step 300 is the temperature, pressure, and / or inert conditions described herein with respect to the process steps of forming lithium-carbon composite particles and / or the process steps of forming a mixture of lithium metal and graphite particles. Can be done with In some embodiments, at least a portion of process step 300 includes the use of a carbonated liquid or vapor. In some embodiments, at least a portion of process step 300 can be performed under an atmosphere comprising carbonate vapor and / or under exposure to a carbonate liquid of carbon and elemental lithium metal. For example, combining porous carbon particles and elemental lithium metal can be performed under an atmosphere comprising carbonate vapor, for example, by exposing the porous carbon particles and elemental lithium metal to carbonate vapor. For example, combining porous carbon particles and elemental lithium metal can include exposing the porous carbon particles and elemental lithium metal to a carbonate liquid. In some embodiments, exposing the molten elemental lithium metal to a carbonate vapor and / or carbonate liquid promotes a reduction in surface tension of the molten elemental lithium metal, thereby, for example, melting the elemental lithium metal Improve the wettability of metal and lead elemental lithium metal to the pores of porous carbon particles.
図4は、複数のリチウム−炭素複合粒子を製造するための処理工程400の一例を示す。ブロック402において、複数の多孔質炭素粒子を与えることができる。本明細書に記載されるように、いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、導電性炭素粒子である。いくつかの実施形態では、複数の多孔質炭素粒子は、1つ以上の活性炭素粒子および/または階層的に構造化された炭素粒子を含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の多孔質炭素粒子は、構造化カーボンナノチューブ、構造化カーボンナノワイヤおよび/または構造化カーボンナノシートを含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の多孔質炭素粒子は、グラフェンシートを含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の多孔質炭素粒子はメソポーラスである。いくつかの実施形態では、複数の多孔質炭素粒子は、活性炭素粒子からなり、または本質的に活性炭素粒子からなる。いくつかの実施形態では、複数の多孔質炭素粒子は、メソポーラス粒子からなり、または本質的にメソポーラス粒子からなる。いくつかの実施形態では、複数の多孔質炭素粒子は、階層的に構造化された炭素粒子からなり、または本質的に階層的に構造化された炭素粒子からなる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子は、表面処理された炭素粒子、または本明細書に記載されているような他のタイプの炭素粒子であってもよい。 FIG. 4 shows an example of a process 400 for producing a plurality of lithium-carbon composite particles. At block 402, a plurality of porous carbon particles can be provided. As described herein, in some embodiments, the porous carbon particles are conductive carbon particles. In some embodiments, the plurality of porous carbon particles can include one or more activated carbon particles and / or hierarchically structured carbon particles. In some embodiments, the plurality of porous carbon particles can comprise structured carbon nanotubes, structured carbon nanowires and / or structured carbon nanosheets. In some embodiments, the plurality of porous carbon particles can include graphene sheets. In some embodiments, the plurality of porous carbon particles are mesoporous. In some embodiments, the plurality of porous carbon particles consist of, or consist essentially of, activated carbon particles. In some embodiments, the plurality of porous carbon particles consists of, or consists essentially of mesoporous particles. In some embodiments, the plurality of porous carbon particles consist of hierarchically structured carbon particles, or consist essentially of hierarchically structured carbon particles. In some embodiments, porous carbon particles may be surface-treated carbon particles, or other types of carbon particles as described herein.
ブロック404において、複数の多孔質炭素粒子を複数の元素リチウム金属粒子と混ぜ合わせて、複数のリチウム−炭素複合粒子を得ることができる。ここで、その複数のリチウム−炭素複合粒子の細孔には、元素リチウム金属が存在する。いくつかの実施形態では、複数の多孔質炭素粒子内の細孔の少なくともいくつかは、元素リチウム金属を有する。いくつかの実施形態では、細孔の少なくともいくつかは、元素リチウム金属で充填されまたは実質的に元素リチウム金属で充填されている。いくつかの実施形態では、細孔のすべてまたは実質的にすべてが、元素リチウム金属で充填されまたは元素リチウム金属で実質的に充填されている。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子の細孔内の元素リチウム金属は、元素リチウム金属粒子を含む。 At block 404, a plurality of porous carbon particles can be combined with a plurality of elemental lithium metal particles to obtain a plurality of lithium-carbon composite particles. Here, elemental lithium metal is present in the pores of the plurality of lithium-carbon composite particles. In some embodiments, at least some of the pores in the plurality of porous carbon particles comprise elemental lithium metal. In some embodiments, at least some of the pores are filled or substantially filled with elemental lithium metal. In some embodiments, all or substantially all of the pores are filled with elemental lithium metal or substantially filled with elemental lithium metal. In some embodiments, the elemental lithium metal in the pores of the porous carbon particles comprises elemental lithium metal particles.
いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子および元素リチウム金属粒子を混合装置の混合チャンバ内で混ぜ合わせて、元素リチウム金属を多孔質炭素粒子の細孔に挿入することができる。いくつかの実施形態では、元素リチウム金属粒子がその細孔に挿入される。いくつかの実施形態では、元素リチウム金属粒子は、混合処理中に少なくとも部分的に溶融され、溶融した元素リチウム金属が、例えば、毛管作用により、および/または混合チャンバ内が低圧もしくは真空であることにより、細孔に挿入される。例えば、溶融した元素リチウム金属は、多孔質炭素粒子が冷却された後に細孔内で一度凝固し得る。いくつかの実施形態では、細孔は、元素リチウム金属粒子および/または再凝固された元素リチウム金属を含むことができる。例えば、細孔は、元素リチウム金属粒子および/または再凝固された元素リチウム金属で充填されまたは実質的に充填されていてもよい。 In some embodiments, porous carbon particles and elemental lithium metal particles can be mixed in the mixing chamber of the mixing device to insert elemental lithium metal into the pores of the porous carbon particles. In some embodiments, elemental lithium metal particles are inserted into the pores. In some embodiments, the elemental lithium metal particles are at least partially melted during the mixing process, and the molten elemental lithium metal is at a low pressure or vacuum, eg, by capillary action, and / or within the mixing chamber. Is inserted into the pore. For example, molten elemental lithium metal may solidify once in the pores after the porous carbon particles have cooled. In some embodiments, the pores can include elemental lithium metal particles and / or resolidified elemental lithium metal. For example, the pores may be filled or substantially filled with elemental lithium metal particles and / or resolidified elemental lithium metal.
いくつかの実施形態では、複数の多孔質炭素粒子および複数の元素リチウム金属粒子を混ぜ合わせる工程は、カーボネート液体または蒸気の使用を含む。例えば、カーボネート液体またはカーボネート蒸気を混合装置に供給することができる。いくつかの実施形態では、複数の多孔質炭素粒子および複数の元素リチウム金属粒子を混ぜ合わせる工程は、カーボネート蒸気を含む雰囲気下で行うことができ、または炭素および元素リチウム金属をカーボネート液体に曝露することを含む。本明細書に記載されているように、カーボネート蒸気またはカーボネート液体への曝露は、溶融した元素リチウム金属の表面張力の低下を促進し、例えば、それによって溶融した元素リチウム金属の湿潤性を高め、元素リチウム金属を多孔質炭素粒子の細孔へ導く。いくつかの実施形態では、カーボネート蒸気またはカーボネート液体は、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ビニルカーボネート(VC)、プロピレンカーボネート(PC)、および/またはこれらと同等のものの少なくとも1つを含むことができる。 In some embodiments, combining the plurality of porous carbon particles and the plurality of elemental lithium metal particles comprises the use of a carbonate liquid or vapor. For example, carbonate liquid or carbonate vapor can be supplied to the mixing device. In some embodiments, combining the plurality of porous carbon particles and the plurality of elemental lithium metal particles can be performed under an atmosphere comprising carbonate vapor, or exposing carbon and elemental lithium metal to a carbonate liquid Including. As described herein, exposure to the carbonate vapor or carbonate liquid promotes a reduction in surface tension of the molten elemental lithium metal, thereby, for example, enhancing the wettability of the molten elemental lithium metal; The element lithium metal is introduced into the pores of the porous carbon particles. In some embodiments, the carbonate vapor or carbonate liquid is ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), vinyl carbonate (VC), propylene carbonate (PC) And / or at least one of these equivalents.
いくつかの実施形態では、元素リチウム粒子および多孔質炭素粒子の所望の混合をもたらすように構成された装置は、リボンミキサー、ロータリーミキサー、プラネタリーミキサー、高せん断ブレンダー、ボールミル、ハンマーミル、ジェットミル、共振音響ミキサー、マイクロウェーブミキサー、および/または気流混合機を含む。 In some embodiments, devices configured to provide the desired mixing of elemental lithium particles and porous carbon particles include ribbon mixers, rotary mixers, planetary mixers, high shear blenders, ball mills, hammer mills, jet mills. , Resonant acoustic mixers, microwave mixers, and / or airflow mixers.
いくつかの実施形態では、元素リチウム金属粒子のサイズは、多孔質炭素材料の細孔サイズに基づいて選択することができる。例えば、元素リチウム金属粒子の粒子サイズは、所望量のリチウム金属粒子の多孔質炭素粒子の細孔への挿入を容易にするように選択することができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子の細孔をリチウム金属粒子で充填または実質的に充填することができる。多孔質炭素粒子の例としては、細孔の平均直径が平均の炭素粒子直径の約1/50〜1/10であり、炭素粒子の体積の約10%〜約80%が分枝状の粒子内細孔ネットワークであるものを挙げることができる。対応する元素リチウム金属粒子は、炭素粒子の細孔に入るように最大外径が十分に小さいものを選択することができる。いくつかの実施形態では、元素リチウム金属粒子は、複数の多孔質炭素粒子の細孔の平均直径未満の平均直径を有するように選択される。 In some embodiments, the size of the elemental lithium metal particles can be selected based on the pore size of the porous carbon material. For example, the particle size of the elemental lithium metal particles can be selected to facilitate the insertion of the desired amount of lithium metal particles into the pores of the porous carbon particles. In some embodiments, the pores of the porous carbon particles can be filled or substantially filled with lithium metal particles. As an example of porous carbon particles, the average diameter of the pores is about 1/50 to 1/10 of the average carbon particle diameter, and about 10% to about 80% of the volume of the carbon particles are branched particles. Mention may be made of inner pore networks. The corresponding elemental lithium metal particles can be selected to be small enough in maximum outside diameter to enter the pores of the carbon particles. In some embodiments, the elemental lithium metal particles are selected to have an average diameter less than the average diameter of the pores of the plurality of porous carbon particles.
いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子および元素リチウム金属粒子は、大気圧より低い圧力下で混ぜ合わせることができる。例えば、多孔質炭素粒子および元素リチウム金属粒子は、装置の混合チャンバの内部容積に供給され、約1×10-8Pa〜約1×105Paの圧力下で混合することができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子および元素リチウム金属粒子は、室温よりも高い温度、例えば約20℃より高い温度で混合することができる。いくつかの実施形態では、その温度は50℃〜180℃を含む20℃〜200℃であってもよい。いくつかの実施形態では、多孔質炭素粒子および元素リチウム金属粒子を大気圧より低い圧力下で且つ室温よりも高い温度で混ぜ合わせることで、リチウム金属粒子の多孔質炭素粒子への挿入が容易になる。 In some embodiments, porous carbon particles and elemental lithium metal particles can be mixed under a pressure less than atmospheric pressure. For example, porous carbon particles and elemental lithium metal particles can be supplied to the internal volume of the mixing chamber of the device and mixed under a pressure of about 1 × 10 −8 Pa to about 1 × 10 5 Pa. In some embodiments, porous carbon particles and elemental lithium metal particles can be mixed at temperatures above room temperature, such as temperatures above about 20.degree. In some embodiments, the temperature may be 20 ° C to 200 ° C, including 50 ° C to 180 ° C. In some embodiments, mixing the porous carbon particles and the elemental lithium metal particles under subatmospheric pressure and above room temperature facilitates insertion of the lithium metal particles into the porous carbon particles. Become.
いくつかの実施形態では、不活性ガスなどのガスを、炭素粒子およびリチウム金属粒子の混合中に混合チャンバに供給することができる。不活性ガスは、アルゴンなどの希ガスを含むことができる。いくつかの実施形態では、混合チャンバに不活性ガスを流入して、リチウム金属の多孔質炭素粒子の細孔への挿入を容易にする。いくつかの実施形態では、混合工程を実施している少なくとも一部の間に不活性ガスを流すことができる。いくつかの実施形態では、不活性ガスの流すのは、多孔質炭素粒子とリチウム金属粒子との混合が開始した後に開始することができる。いくつかの実施形態では、不活性ガスは、混合工程の後半の間のみ、例えば混合工程の最後の約40%、約30%、約20%、約10%または約5%の間のみ、反応チャンバに流入する。いくつかの実施形態では、不活性ガスは、混合工程を実施している全時間、または、実質的に全時間にわたって流すことができる。不活性ガスを流す時間は、リチウム金属粒子の多孔質炭素粒子の細孔への挿入が所望の程度となるように選択することができる。 In some embodiments, a gas such as an inert gas can be supplied to the mixing chamber during mixing of the carbon particles and the lithium metal particles. The inert gas can include a noble gas such as argon. In some embodiments, the mixing chamber is flushed with an inert gas to facilitate insertion of lithium metal into the pores of the porous carbon particles. In some embodiments, an inert gas can be flowed during at least a portion of performing the mixing step. In some embodiments, the flow of inert gas can be initiated after mixing of the porous carbon particles and the lithium metal particles has begun. In some embodiments, the inert gas is reacted only during the second half of the mixing step, eg, only between about the last 40%, about 30%, about 20%, about 10% or about 5% of the last mixing step. Flow into the chamber. In some embodiments, the inert gas can be flowed for the entire time the mixing step is being performed, or for substantially the entire time. The time for flowing the inert gas can be selected so that the insertion of the lithium metal particles into the pores of the porous carbon particles is at a desired level.
ブロック406において、リチウム−炭素複合粒子におけるリチウム金属の露出部分の上に固体電解質界面(SEI)層を形成することができる。例えば、SEI層は、対応する多孔質炭素粒子の外面下にある元素リチウム金属の露出部分の上に形成することができる。SEI層は、リチウム金属を劣化させる可能性のある、酸素および/または水などの外部環境の成分へのリチウム金属のその部分の曝露の程度を抑えまたは曝露を防止する一方で、それを通してのイオンおよび/または電子の輸送を可能にする。いくつかの実施形態では、SEI層の形成は、リチウム−炭素複合粒子を、エネルギー貯蔵装置の1つ以上の気化した電解質溶媒を含有する蒸気に曝露することを含む。いくつかの実施形態では、その蒸気はカーボネート蒸気を含む。いくつかの実施形態では、そのカーボネート蒸気は、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ビニルカーボネート(VC)、プロピレンカーボネート(PC)、これらの組み合わせ、および/またはそれらと同等のものを含む。 At block 406, a solid electrolyte interface (SEI) layer can be formed on the exposed portion of lithium metal in the lithium-carbon composite particles. For example, a SEI layer can be formed on exposed portions of elemental lithium metal underlying the outer surface of the corresponding porous carbon particles. The SEI layer reduces or prevents the degree of exposure of that portion of the lithium metal to components of the external environment such as oxygen and / or water that can degrade the lithium metal while ionizing ions therethrough And / or enable transport of electrons. In some embodiments, forming the SEI layer comprises exposing the lithium-carbon composite particles to a vapor containing one or more vaporized electrolyte solvents of an energy storage device. In some embodiments, the vapor comprises carbonate vapor. In some embodiments, the carbonate vapor is ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), vinyl carbonate (VC), propylene carbonate (PC), these And / or their equivalents.
いくつかの実施形態では、リチウム金属の露出部分の上に、導電性ポリマーコーティングなどの他の保護コーティングを形成することができる。いくつかの実施形態では、低蒸気圧のモノマーの重合により、リチウム金属の露出部分の上に導電性ポリマーコーティングを形成することができる。例えば、前駆物質のモノマーとしてピロールを用いて、ポリピロールを含むポリマーコーティングを生成することができる。いくつかの実施形態では、ポリマーコーティングは、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリン、ポリアセチレン、もしくはそれらの組み合わせ、および/またはそれらと同等のものを含むことができる。 In some embodiments, other protective coatings, such as conductive polymer coatings, can be formed on the exposed portions of lithium metal. In some embodiments, low vapor pressure polymerization of monomers can form a conductive polymer coating on exposed portions of lithium metal. For example, pyrrole can be used as a precursor monomer to produce a polymer coating comprising polypyrrole. In some embodiments, the polymer coating can comprise polythiophene, polyfuran, polyaniline, polyacetylene, or combinations thereof, and / or the like.
いくつかの実施形態では、所望量のリチウム金属が多孔質炭素粒子に挿入された後に、リチウム−炭素複合粒子をカーボネート蒸気に曝露することができる。いくつかの実施形態では、リチウム−炭素複合粒子は、混合チャンバ内のカーボネート蒸気に、例えば混合チャンバの内部容積に曝露され得る。カーボネート含有溶媒は、その蒸気がリチウム金属の露出部分と反応してSEI層を形成できるように、混合の後に、蒸発させて混合チャンバに供給することができる。いくつかの実施形態では、リチウム−炭素粒子は、異なるチャンバに輸送することができ、そのチャンバで粒子をカーボネート蒸気に曝露させることができる。リチウム−炭素複合粒子のカーボネート蒸気への曝露は、カーボネート蒸気がリチウム金属と反応することができるように、カーボネートが気相にまたは実質的に気相にとどまることができる様々な温度および圧力の条件下で行うことができる。いくつかの実施形態では、その内部容積の圧力は、内部容積の温度において、カーボネートまたはカーボネート混合物の蒸気圧よりも低く維持することができる。 In some embodiments, the lithium-carbon composite particles can be exposed to carbonate vapor after the desired amount of lithium metal has been inserted into the porous carbon particles. In some embodiments, lithium-carbon composite particles may be exposed to carbonate vapor in the mixing chamber, for example, to the internal volume of the mixing chamber. The carbonate-containing solvent can be vaporized and fed to the mixing chamber after mixing so that the vapor can react with the exposed portion of lithium metal to form the SEI layer. In some embodiments, lithium-carbon particles can be transported to different chambers, where the particles can be exposed to carbonate vapor. Exposure of the lithium-carbon composite particles to carbonate vapor results in conditions of various temperatures and pressures at which the carbonate can remain in the gas phase or substantially in the gas phase such that the carbonate vapor can react with lithium metal. It can be done below. In some embodiments, the pressure of the internal volume can be maintained below the vapor pressure of the carbonate or carbonate mixture at the temperature of the internal volume.
本明細書に記載されるように、いくつかの実施形態では、カーボネート蒸気への曝露を、複数の多孔質炭素粒子と元素リチウム金属とを混ぜ合わせる途中に行うことができ、そしてSEI層を形成しながら継続することができる。例えば、カーボネート蒸気への曝露によって、炭素粒子の細孔内へのリチウム金属の挿入とSEI層の形成との両方を促進することができる。 As described herein, in some embodiments, exposure to carbonate vapor can be performed during the mixing of the plurality of porous carbon particles and the elemental lithium metal, and forming the SEI layer While continuing. For example, exposure to carbonate vapor can facilitate both the insertion of lithium metal into the pores of the carbon particles and the formation of the SEI layer.
いくつかの実施形態では、リチウム−炭素複合材料の外面の炭素部分がSEI層を含まないかまたは実質的に含まず、露出した元素リチウム金属の上にのみ、または実質的に露出した元素リチウム金属の上にのみ、SEI層が形成されるように、カーボネート含有蒸気を元素リチウム金属とのみまたは実質的に元素リチウム金属とのみ反応させることができる。いくつかの実施形態では、SEI層は、露出したリチウム金属を保護することができ、これによってリチウム−炭素複合粒子のその後の処理、ならびに/または、リチウム−炭素複合粒子を含有する電極フィルムおよび/もしくは電極フィルム混合物の製造を容易にすることができる。いくつかの実施形態では、SEI層は、リチウム金属と外部環境とのさらなる反応を低減または防止する一方、イオン輸送および電子輸送の両方を可能にすることができる。SEI層におけるイオンおよび電子の輸送は、エネルギー貯蔵装置の作動中の多孔質炭素粒子内の導電性リチウム金属へのアクセスを可能にし、多孔質炭素粒子を最初に開裂させたり割ったりすることなくリチウム由来の電気エネルギーへのアクセスを容易にする。いくつかの実施形態では、SEI層は、露出したリチウム金属と液体との反応を抑えまたは防止し、これによってスラリー溶液を含む処理のような湿式のまたは乾式の電極製造工程におけるリチウム−炭素複合粒子の使用を容易にする。 In some embodiments, the carbon portion of the outer surface of the lithium-carbon composite material is free or substantially free of the SEI layer, and elemental lithium metal exposed only or substantially exposed on exposed elemental lithium metal The carbonate-containing vapor can be reacted only with elemental lithium metal or substantially only with elemental lithium metal, such that the SEI layer is formed only on the. In some embodiments, the SEI layer can protect the exposed lithium metal, thereby subsequent treatment of the lithium-carbon composite particles, and / or electrode films and / or lithium-carbon composite particles. Or manufacture of an electrode film mixture can be made easy. In some embodiments, the SEI layer can allow for both ion and electron transport while reducing or preventing further reaction of lithium metal with the external environment. Transport of ions and electrons in the SEI layer allows access to conductive lithium metal in the porous carbon particles during operation of the energy storage device, lithium without first breaking or breaking the porous carbon particles. Facilitate access to electrical energy of origin. In some embodiments, the SEI layer suppresses or prevents the reaction of the exposed lithium metal with the liquid, thereby lithium-carbon composite particles in a wet or dry electrode manufacturing process, such as a process comprising a slurry solution. To facilitate the use of
図5を参照して、バルク元素リチウム金属およびグラファイトを使用して混合物を調製するための処理工程500について説明する。ブロック502において、バルク元素リチウム金属を与えることができる。本明細書で説明されるように、バルク元素リチウム金属は、元素リチウム金属のシートおよび/もしくは塊、または他の形態のバルク金属を含むことができる。ブロック504において、グラファイト粒子を与えることができる。ブロック506において、バルク元素リチウム金属およびグラファイト粒子を混ぜ合わせて、元素リチウム金属およびグラファイト粒子を含有する混合物を与えることができる。 Referring to FIG. 5, a process step 500 for preparing a mixture using bulk elemental lithium metal and graphite is described. At block 502, a bulk elemental lithium metal can be provided. As described herein, bulk elemental lithium metal can include sheets and / or chunks of elemental lithium metal, or other forms of bulk metal. At block 504, graphite particles can be provided. At block 506, bulk elemental lithium metal and graphite particles can be combined to provide a mixture containing elemental lithium metal and graphite particles.
いくつかの実施形態では、バルク元素リチウム金属とグラファイト粒子を混ぜ合わせる工程は、バルク元素リチウム金属のサイズを小さくすることを含む。いくつかの実施形態では、その混ぜ合わせの工程は、バルク元素リチウム金属が所望のサイズの元素リチウム粒子となるようにそのサイズを小さくし、且つ、元素リチウム金属粒子およびグラファイト粒子を含有する均質または実質的に均質な混合物が得られるようにすることができる。いくつかの実施形態では、リチウム金属の少なくとも一部は、バルク元素リチウム金属のサイズを小さくする間に溶融することができ、その溶融したリチウム金属がグラファイト粒子のいくつかの少なくとも一部にコーティングを形成するようにすることができる。いくつかの実施形態では、グラファイト粒子および元素リチウム金属を含有する混合物は、グラファイト粒子、複数の元素リチウム金属粒子、および/または少なくともいくつかのグラファイト粒子の表面の元素リチウムによるコーティングを含む。例えば、その混合物は、グラファイト粒子、元素リチウム金属粒子および/または少なくともいくつかのグラファイト粒子の1つ以上の表面の元素リチウム金属を含有する均質または実質的に均質な混合物を含んでいてもよい。 In some embodiments, combining the bulk elemental lithium metal and the graphite particles comprises reducing the size of the bulk elemental lithium metal. In some embodiments, the combining step reduces the size such that the bulk elemental lithium metal is a desired size of elemental lithium particles and is homogeneous or contains elemental lithium metal particles and graphite particles. A substantially homogeneous mixture can be obtained. In some embodiments, at least a portion of the lithium metal can be melted while reducing the size of the bulk elemental lithium metal, and the molten lithium metal coats at least a portion of some of the graphite particles It can be made to form. In some embodiments, the mixture comprising graphite particles and elemental lithium metal comprises a coating of graphite particles, a plurality of elemental lithium metal particles, and / or elemental lithium on the surface of at least some of the graphite particles. For example, the mixture may comprise a homogeneous or substantially homogeneous mixture containing graphite particles, elemental lithium metal particles and / or elemental lithium metal on one or more surfaces of at least some of the graphite particles.
いくつかの実施形態では、バルク元素リチウム金属とグラファイト粒子とを混ぜ合わせる工程は、バルク元素リチウム金属とグラファイト粒子とをブレンドすることを含む。いくつかの実施形態では、Waring(登録商標)ブレンダーを使用することができる。いくつかの実施形態では、バルク元素リチウム金属およびグラファイト粒子のブレンドは、リチウム金属粒子サイズおよび均質なまたは実質的に均質な混合物が得られるように、条件を選択することができる。いくつかの実施形態では、混合処理の条件は、混合処理の持続時間、せん断力の大きさ、混合処理の温度、混合ブレードおよび/もしくはパドルの先端の速度、混合機の種類、混合チャンバ内の環境、材料が混合チャンバ内に投入される順序、ならびに/または混合チャンバ内に投入される材料の量によって調整することができる。 In some embodiments, combining the bulk elemental lithium metal and the graphite particles comprises blending the bulk elemental lithium metal and the graphite particles. In some embodiments, a Waring® blender can be used. In some embodiments, the blend of bulk elemental lithium metal and graphite particles can be selected to obtain lithium metal particle size and a homogenous or substantially homogeneous mixture. In some embodiments, the conditions of the mixing process include the duration of the mixing process, the magnitude of the shear force, the temperature of the mixing process, the speed of the mixing blade and / or paddle tip, the type of mixer, the mixing chamber, It can be adjusted by the environment, the order in which the materials are introduced into the mixing chamber, and / or the amount of material introduced into the mixing chamber.
いくつかの実施形態では、グラファイト以外の材料を、またはグラファイト以外の材料をグラファイトに添加した材料を、バルク元素リチウム金属と混ぜ合わせることができる。例えば、1つ以上の他の電極フィルム材料を、バルク元素リチウム金属と混ぜ合わせて、所望のサイズの元素リチウム金属粒子を含有する均質または実質的に均質な混合物を得ることができる。いくつかの実施形態では、その1つ以上の他の材料は、シリコン、酸化ケイ素、スズ、酸化スズ、炭素とケイ素とスズとを含有する炭素複合体、これらの組み合わせ、および/またはそれらと同等のものを含むことができる。 In some embodiments, materials other than graphite or materials other than graphite added to graphite can be mixed with bulk elemental lithium metal. For example, one or more other electrode film materials can be combined with bulk elemental lithium metal to obtain a homogeneous or substantially homogeneous mixture containing elemental lithium metal particles of the desired size. In some embodiments, the one or more other materials are silicon, silicon oxide, tin, tin oxide, carbon composites containing carbon, silicon and tin, combinations thereof, and / or the like Can be included.
いくつかの実施形態では、グラファイト粒子およびリチウム金属粒子を含有する混合物は、乾式の製造工程において乾燥粒子電極フィルムを形成するために直接使用することができる。いくつかの実施形態では、その後で、グラファイト粒子と元素リチウム金属とを含有する混合物を、リチウム金属粒子の周りにSEI層を形成するよう処理することができ、それによって、例えばリチウム金属と外部環境とのさらなる反応を低減または防止できる。いくつかの実施形態では、図4を参照して説明されるSEI層を形成するための1つ以上の処理を適用することができる。例えば、その混合物は、例えばカーボネート蒸気などの、気化した電解質溶媒に曝露されてもよい。いくつかの実施形態では、カーボネート蒸気は、本明細書に記載の1つ以上の組成物を有していてもよい。いくつかの実施形態では、上記の処理によって、電極フィルムを形成するための湿式スラリー処理などの湿式の処理工程におけるリチウム金属の使用を容易にすることができる。 In some embodiments, a mixture containing graphite particles and lithium metal particles can be used directly to form a dry particle electrode film in a dry manufacturing process. In some embodiments, a mixture containing graphite particles and elemental lithium metal can then be treated to form a SEI layer around the lithium metal particles, thereby, for example, lithium metal and the external environment. Further reaction with can be reduced or prevented. In some embodiments, one or more processes to form the SEI layer described with reference to FIG. 4 can be applied. For example, the mixture may be exposed to a vaporized electrolyte solvent, such as, for example, carbonate vapor. In some embodiments, the carbonate vapor may have one or more of the compositions described herein. In some embodiments, the above processes can facilitate the use of lithium metal in wet processing steps, such as wet slurry processing to form electrode films.
図6は、炭素粒子および元素リチウム金属を含むエネルギー貯蔵装置の電極フィルムを製造するための乾式の処理工程600の一例を示す。例えば、電極フィルムは、複数のリチウム−炭素複合粒子またはグラファイト粒子と元素リチウム金属との混合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、その電極は、図1を参照して説明したエネルギー貯蔵装置100の電極であってもよい。いくつかの実施形態では、その電極は、リチウムイオンバッテリのアノードを含む。いくつかの実施形態では、電極はリチウムイオンキャパシタのアノードを含む。 FIG. 6 shows an example of a dry process step 600 for producing an electrode film of an energy storage device comprising carbon particles and elemental lithium metal. For example, the electrode film can comprise a plurality of lithium-carbon composite particles or a mixture of graphite particles and elemental lithium metal. In some embodiments, the electrode may be an electrode of the energy storage device 100 described with reference to FIG. In some embodiments, the electrode comprises an anode of a lithium ion battery. In some embodiments, the electrode comprises an anode of a lithium ion capacitor.
ブロック602において、炭素粒子および元素リチウム金属を与えることができる。いくつかの実施形態では、この元素リチウム金属および炭素粒子を与える工程は、複数のリチウム−炭素複合粒子を与えることを含む。いくつかの実施形態では、元素リチウム金属および炭素粒子を与える工程は、元素リチウム金属およびグラファイト粒子を含有する混合物を与えることを含む。いくつかの実施形態では、複数のリチウム−炭素複合粒子および/または元素リチウム粒子とグラファイト粒子とを含有する混合物は、本明細書に記載の1つ以上の処理工程に従って製造することができる。いくつかの実施形態では、ブロック602は、ブロック302、ブロック304、ブロック402、および/またはブロック502に記載された工程を含む。 At block 602, carbon particles and elemental lithium metal can be provided. In some embodiments, the step of providing the elemental lithium metal and carbon particles comprises providing a plurality of lithium-carbon composite particles. In some embodiments, providing elemental lithium metal and carbon particles comprises providing a mixture containing elemental lithium metal and graphite particles. In some embodiments, a mixture containing a plurality of lithium-carbon composite particles and / or elemental lithium particles and graphite particles can be made according to one or more processing steps described herein. In some embodiments, block 602 includes the steps described in block 302, block 304, block 402, and / or block 502.
ブロック604において、炭素粒子および元素リチウム金属を、1つ以上の他の電極フィルム成分と混ぜ合わせて、電極フィルム混合物を得ることができる。いくつかの実施形態では、1つ以上の他の電極フィルム成分は、バインダおよび/または1つ以上の他の電極活成分を含む。いくつかの実施形態では、バインダは、例えばフィブリル化可能なポリマーを含むフィブリル化可能なバインダを含むことができる。いくつかの実施形態では、バインダは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフィブリル化可能なフルオロポリマーを含む。いくつかの実施形態では、バインダは、PTFE、パーフルオロポリオレフィン、ポリプロピレン、ポリエチレン、それらのコポリマー、および/またはそれらのポリマーのブレンドしたものを含む。いくつかの実施形態では、電極フィルム混合物は、フィブリル化可能なフルオロポリマーなどの単一のバインダからなるバインダを含有する。例えば、電極フィルム混合物は、単一のバインダのみを含有していてもよく、その単一のバインダはPTFEであってもよい。いくつかの実施形態では、1つ以上の他の電極活成分は、硬質炭素、軟質炭素、グラフェン、メソポーラスカーボン、シリコン、酸化ケイ素、スズ、酸化スズ、ゲルマニウム、チタン酸リチウム、二酸化チタン、これらの材料の混合物もしくは複合物および/またはそれらと同等のものを含む。いくつかの実施形態では、ブロック604は、ブロック306、ブロック404、ブロック406、および/またはブロック506に記載された工程を含む。特定の実施形態では、ブロック604はブロック406の工程を含む。したがって、いくつかの実施形態では、ブロック604は、エネルギー貯蔵装置の1つ以上の気化した電解質溶媒を含む蒸気にリチウム−炭素複合粒子を曝露することを含む、SEI層を形成する工程を含む。 At block 604, carbon particles and elemental lithium metal can be combined with one or more other electrode film components to obtain an electrode film mixture. In some embodiments, one or more other electrode film components include a binder and / or one or more other electrode active components. In some embodiments, the binder can include a fibriltable binder, including, for example, a fibrillatable polymer. In some embodiments, the binder comprises a fibrillated fluoropolymer, such as polytetrafluoroethylene (PTFE). In some embodiments, the binder comprises PTFE, perfluoropolyolefin, polypropylene, polyethylene, copolymers thereof, and / or blends of polymers thereof. In some embodiments, the electrode film mixture contains a binder that consists of a single binder, such as a fibrillated fluoropolymer. For example, the electrode film mixture may contain only a single binder, which may be PTFE. In some embodiments, one or more other electrode active components are: hard carbon, soft carbon, graphene, mesoporous carbon, silicon, silicon oxide, tin, tin oxide, germanium, lithium titanate, titanium dioxide, and the like Mixtures or composites of materials and / or equivalents thereof. In some embodiments, block 604 includes the steps described in block 306, block 404, block 406, and / or block 506. In particular embodiments, block 604 includes the steps of block 406. Thus, in some embodiments, block 604 includes forming a SEI layer that includes exposing the lithium-carbon composite particles to a vapor comprising one or more vaporized electrolyte solvents of an energy storage device.
いくつかの実施形態では、ブロック604の混ぜ合わせの工程は乾式の処理である。例えば、元素リチウム金属粒子および炭素粒子は、乾式の処理、すなわち溶媒または添加剤を含まないかまたは実質的に含まない処理において、1つ以上の他の電極フィルム成分と混ぜ合わせて、乾燥粒子電極フィルム混合物を得ることができる。いくつかの実施形態では、複数のリチウム−炭素複合粒子または元素リチウム金属粒子およびグラファイト粒子を含有する混合物を、乾式の混合処理工程でエネルギー貯蔵装置の電極の1つ以上の他の成分と混ぜ合わせて、乾燥粒子電極フィルム混合物を得ることができる。したがって、いくつかの実施形態では、ブロック604は、元素リチウム金属粒子および炭素粒子をフィブリル化可能なバインダと混ぜ合わせることを含むことができる。 In some embodiments, the combining step of block 604 is a dry process. For example, elemental lithium metal particles and carbon particles can be combined with one or more other electrode film components in a dry process, ie, a process that is free or substantially free of solvents or additives, to obtain a dry particle electrode A film mixture can be obtained. In some embodiments, a mixture comprising a plurality of lithium-carbon composite particles or elemental lithium metal particles and graphite particles is combined with one or more other components of the energy storage device electrode in a dry mixing process. Thus, a dry particle electrode film mixture can be obtained. Thus, in some embodiments, block 604 can include combining elemental lithium metal particles and carbon particles with a fibrilatable binder.
ブロック606において、電極フィルム混合物を含む電極フィルムを得ることができる。例えば、その電極フィルムは、リチウムイオンバッテリまたはリチウムイオンキャパシタのアノードに用いるフィルムであってもよい。いくつかの実施形態では、電極フィルム混合物は、フィブリル化可能なバインダを含有し、電極フィルムの形成はフィブリル化処理を含む。そのフィブリル化処理においては、そのフィブリル化可能なバインダから、電極フィルムの他の成分を構造的に支持するフィブリルのマトリックス、格子および/またはウェブを形成することができる。例えば、電極フィルム混合物中のバインダ材をフィブリル化することにより、電極フィルム混合物から、自立型乾燥粒子電極フィルムを形成することができる。いくつかの実施形態では、ブレンド処理工程のように、せん断力をバインダ材に作用させて、フィブリルを形成することができる。例えば、ジェットミル処理を含む粉砕処理を行うことができる。 At block 606, an electrode film comprising the electrode film mixture can be obtained. For example, the electrode film may be a film used for a lithium ion battery or an anode of a lithium ion capacitor. In some embodiments, the electrode film mixture contains a fibrillatable binder, and the formation of the electrode film comprises a fibrillation process. In the fibrillation process, the fibrillatable binder can form a matrix, lattice and / or web of fibrils that structurally support other components of the electrode film. For example, a free standing dry particle electrode film can be formed from the electrode film mixture by fibrillating the binder material in the electrode film mixture. In some embodiments, shear forces can be applied to the binder material to form fibrils, such as in a blending process. For example, grinding treatment including jet milling can be performed.
特定の実施形態では、自立型電極フィルムは、本質的には、元素金属粒子、炭素粒子、およびフィブリル化したバインダ粒子からなる。特定の実施形態では、自立型電極フィルムは、元素金属粒子、炭素粒子、およびフィブリル化したバインダ粒子からなる。さらなる実施形態では、元素金属粒子および炭素粒子は、本明細書で示される複合粒子である。 In certain embodiments, the free-standing electrode film consists essentially of elemental metal particles, carbon particles, and fibrillated binder particles. In certain embodiments, a free standing electrode film is comprised of elemental metal particles, carbon particles, and fibrillated binder particles. In further embodiments, the elemental metal particles and the carbon particles are composite particles as set forth herein.
いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置の電極を製造するための湿式の処理工程によって、電極フィルムを形成することができる。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置の電極を製造するための湿式の処理工程は、電極活成分を含む1つ以上の電極成分を含有する液体溶液を調製する工程、およびその液体溶液を用いて電極フィルムを形成する工程を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、その液体溶液を使用して電極を形成する工程において、スロットダイコーティング、グラビアコーティング、リバースロールコーティング、ナイフオーバーロールコーティング、メータリングロッドコーティング、カーテンコーティングおよび/またはディップコーティングの1つ以上を用いる。 In some embodiments, the electrode film can be formed by a wet process to make an electrode of an energy storage device. In some embodiments, a wet processing step for producing an electrode of an energy storage device comprises the steps of preparing a liquid solution containing one or more electrode components comprising an electrode active component, and the liquid solution And forming an electrode film. In some embodiments, the step of forming the electrode using the liquid solution comprises slot die coating, gravure coating, reverse roll coating, knife over roll coating, metering rod coating, curtain coating and / or dip coating. Use one or more.
いくつかの実施形態では、電極、例えばリチウムイオンバッテリまたはリチウムイオンキャパシタの電極は、工程300,400,500および/または600の1つ以上の工程で製造された1つ以上の電極フィルムを含む。例えば、電極は、集電体に結合された1つ以上の電極フィルムを含むことができる。例えば、電極は、集電体の対向する表面に結合されたそれぞれの電極フィルムを含むことができる。いくつかの実施形態では、乾燥粒子電極フィルムは、集電体の表面に結合されてもよく、例えば、積層処理などによって、集電体に直接接合される。いくつかの実施形態では、介在する接着剤層によって、電極フィルムの集電体への接合を容易にすることができる。したがって、処理工程300,400,500および/または600のうちの1つ以上を含む、エネルギー貯蔵装置に使用するプレドープ電極を製造する方法が提供される。例えば、エネルギー貯蔵装置は、処理工程300のように、炭素粒子を与える工程と、元素金属を与える工程と、炭素粒子を元素リチウム金属と混ぜ合わせて、炭素粒子および元素リチウム金属を含有する混合物を得る工程と、を含む方法によって、製造することができ、処理工程400のように、複数の多孔質炭素粒子を与える工程と、複数の多孔質炭素粒子を複数の元素リチウム金属粒子と混ぜ合わせて複数のリチウム−炭素複合粒子を得る工程と、そのリチウム−炭素複合粒子のリチウム金属の露出部分の上に固体電解質界面層を形成する工程と、を含む方法によって、製造することができ、処理工程500のように、バルク元素リチウム金属を与える工程と、グラファイト粒子を与える工程と、バルク元素リチウム金属とグラファイト粒子とを混ぜ合わせて元素リチウム金属とグラファイト粒子とを含有する混合物を得る工程と、を含む方法によって、製造することができ、および/または処理工程600のように、炭素粒子と元素リチウム金属とを与える工程と、その炭素粒子と元素リチウム金属とを1つ以上の他の電極フィルム成分と混ぜ合わせて電極フィルム混合物を得る工程と、その電極フィルム混合物を含む電極フィルムを形成する工程と、を含む方法によって、製造することができる。 In some embodiments, the electrode, eg, an electrode of a lithium ion battery or lithium ion capacitor, includes one or more electrode films produced in one or more steps of steps 300, 400, 500 and / or 600. For example, the electrode can include one or more electrode films coupled to a current collector. For example, the electrodes can include respective electrode films bonded to opposite surfaces of the current collector. In some embodiments, a dry particle electrode film may be bonded to the surface of the current collector, and is directly bonded to the current collector, such as by a lamination process. In some embodiments, an intervening adhesive layer can facilitate bonding of the electrode film to the current collector. Thus, provided is a method of manufacturing a pre-doped electrode for use in an energy storage device comprising one or more of process steps 300, 400, 500 and / or 600. For example, the energy storage device may, as in process step 300, provide carbon particles, provide elemental metal, combine the carbon particles with elemental lithium metal, and mix the carbon particles and elemental lithium metal in a mixture. Obtaining a plurality of porous carbon particles and mixing a plurality of porous carbon particles with a plurality of elemental lithium metal particles, as in process step 400. It can be manufactured by a method comprising the steps of: obtaining a plurality of lithium-carbon composite particles; and forming a solid electrolyte interface layer on the exposed portion of lithium metal of the lithium-carbon composite particles As in 500, the steps of providing bulk elemental lithium metal, providing graphite particles, mixing bulk elemental lithium metal and graphite particles Combining to obtain a mixture containing elemental lithium metal and graphite particles, and / or providing carbon particles and elemental lithium metal as in process step 600. A method comprising: combining the carbon particles and elemental lithium metal with one or more other electrode film components to obtain an electrode film mixture; and forming an electrode film comprising the electrode film mixture. It can be manufactured.
いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、本明細書に記載の1つ以上の電極フィルムを使用して製造することができる。例えば、エネルギー貯蔵装置の電極は、本明細書に記載された1つ以上の電極フィルムを含むことができる。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は外部ハウジングを備えてもよい。上記の1つ以上の電極フィルムを含む電極は、そのハウジングの内部に挿入することができる。いくつかの実施形態では、1つ以上の他の電極および/または1つ以上のセパレータが内部に挿入されてもよい。 その後、そのハウジングは、所望の量の電解質がエネルギー貯蔵装置のハウジングに導入された後に密閉されてもよい。 In some embodiments, the energy storage device can be manufactured using one or more electrode films described herein. For example, the electrodes of the energy storage device can include one or more electrode films as described herein. In some embodiments, the energy storage device may comprise an outer housing. An electrode comprising one or more of the above electrode films can be inserted into the interior of the housing. In some embodiments, one or more other electrodes and / or one or more separators may be inserted internally. Thereafter, the housing may be sealed after the desired amount of electrolyte has been introduced into the housing of the energy storage device.
図7は、本明細書に記載の1つ以上の組成物を調製するように構成された装置700の一例の概略図である。例えば、装置700は、図1を参照して説明した電極のような、エネルギー貯蔵装置の電極を製造する際に使用するためのバルク材料を製造するように構成された混合装置を備えていてもよい。図7に示すように、炭素粒子702および元素リチウム金属704は、炭素粒子702および元素リチウム金属704が本明細書に記載の1つ以上の処理工程に従って混ぜ合わせられるように、装置700の混合チャンバ706の内部容積に供給されてもよい。装置700は、本明細書に記載の1つ以上の処理工程に従って、複数のリチウム−炭素複合粒子またはグラファイト粒子および元素リチウム金属を含有する混合物が得られるように構成することができる。例えば、装置700は、図3〜図6を参照して説明した処理工程に従って炭素粒子702と元素リチウム金属704とを混ぜ合わせて、対応する多孔質炭素粒子の細孔内にリチウム金属を有するリチウム−炭素複合粒子、または、リチウム金属(元素リチウム金属粒子および/もしくはグラファイト粒子の表面の少なくともいくつかにおいて形成される元素リチウム金属コーティングなど)ならびにグラファイト粒子を含有する混合物を提供するように構成することができる。いくつかの実施形態では、装置700は、リボンミキサー、ロータリーミキサー、プラネタリーミキサー、高せん断ブレンダー、ボールミル、ハンマーミル、ジェットミル、共振音響ミキサー、マイクロウェーブミキサー、および/または気流混合機を含むことができる。 FIG. 7 is a schematic view of an example of an apparatus 700 configured to prepare one or more of the compositions described herein. For example, the device 700 may also include a mixing device configured to produce bulk material for use in producing the electrodes of the energy storage device, such as the electrodes described with reference to FIG. Good. As shown in FIG. 7, carbon particles 702 and elemental lithium metal 704 may be mixed chambers of apparatus 700 such that carbon particles 702 and elemental lithium metal 704 may be mixed according to one or more processing steps described herein. An internal volume of 706 may be provided. The apparatus 700 can be configured to obtain a mixture containing a plurality of lithium-carbon composite particles or graphite particles and elemental lithium metal according to one or more processing steps described herein. For example, the device 700 mixes the carbon particles 702 and the elemental lithium metal 704 according to the process steps described with reference to FIGS. 3 to 6 and lithium having lithium metal in the pores of the corresponding porous carbon particles Constructing to provide a mixture containing carbon composite particles or lithium metal (elemental lithium metal coating formed on at least some of the surfaces of elemental lithium metal particles and / or graphite particles, etc.) and graphite particles Can. In some embodiments, apparatus 700 includes a ribbon mixer, a rotary mixer, a planetary mixer, a high shear blender, a ball mill, a hammer mill, a jet mill, a resonant acoustic mixer, a microwave mixer, and / or an air flow mixer. Can.
図8A〜図8Cは、一実施形態に係る、バルク元素リチウム金属から乾燥粒子混合物を調製する処理における様々な工程を示す写真である。図8Aは、混合装置(例えば、Waring(登録商標)ブレンダー)の混合チャンバ内のグラファイト粒子およびリチウム金属シートを示す。この実施例では、グラファイト粉末約23.3g(グラム)およびバルク元素リチウム金属約0.68gがブレンダー中で混ぜ合わされる。グラファイト粉末とリチウム金属とを約5秒のパルス間隔で約36回ブレンドした。図8Cにおいて、約1.7gのPTFEを、グラファイト粉末とリチウム金属とを含有するブレンドした混合物に添加した。PTFE、グラファイト粉末およびリチウム金属を約5秒のパルス間隔で約24回ブレンドして、PTFE、グラファイト粉末およびリチウム金属を含有する電極フィルム混合物を得た。 8A-8C are photographs illustrating various steps in the process of preparing a dry particle mixture from bulk elemental lithium metal, according to one embodiment. FIG. 8A shows graphite particles and a lithium metal sheet in the mixing chamber of a mixing apparatus (eg, a Waring® blender). In this example, about 23.3 grams (grams) of graphite powder and about 0.68 grams of bulk elemental lithium metal are combined in a blender. Graphite powder and lithium metal were blended about 36 times at a pulse interval of about 5 seconds. In FIG. 8C, about 1.7 g of PTFE was added to the blended mixture containing graphite powder and lithium metal. PTFE, graphite powder and lithium metal were blended about 24 times with a pulse interval of about 5 seconds to obtain an electrode film mixture containing PTFE, graphite powder and lithium metal.
図9Aおよび図9Bは、実施例のPTFE、グラファイト粉末およびリチウム金属を含有する混合物を用いて形成された自立型電極フィルムを含む2つのコイン半電池の電気化学的性能を示すグラフである。この半電池は、リチウム金属の対電極と、ポリオレフィンのセパレータと、カーボネートベースの溶媒中にLiPF6を含有する電解質と、をさらに含んでいた。図9Aおよび図9Bは、事前の定電流リチウム化ステップを含まない最初の脱リチウム化ステップ後のコイン半電池の電圧の変化を示す。図9Aおよび図9Bのグラフは、y軸にボルト(V)を単位とする電圧、およびx軸にアンペア時(Ah)を単位とする脱リチウム化容量を示す。これらの電圧曲線によって、装置の電極における(例えば、PTFE、グラファイト粉末およびリチウム金属を含有する混合物を使用して形成された自立型電極フィルムにおける)電気化学的に利用可能なリチウム金属の量を推定することができる。図9Aに対応するコイン半電池は、1.5Vのカットオフ電圧で約2.5ミリアンペア時の容量を示し、図9Bに対応するコイン半電池は、同じカットオフ電圧で約3ミリアンペア時の容量を示した。 FIGS. 9A and 9B are graphs showing the electrochemical performance of two coin half cells comprising free standing electrode films formed using the example PTFE, graphite powder and a mixture containing lithium metal. The half cell further included a lithium metal counter electrode, a polyolefin separator, and an electrolyte containing LiPF 6 in a carbonate based solvent. Figures 9A and 9B show the change in voltage of the coin half cell after the first delithiation step without the pre-constant current lithiation step. The graphs of FIGS. 9A and 9B show voltage in volts (V) on the y-axis and delithiation capacity in amperes-hour (Ah) on the x-axis. These voltage curves estimate the amount of electrochemically available lithium metal (e.g., in free standing electrode films formed using a mixture containing PTFE, graphite powder and lithium metal) at the electrodes of the device can do. The coin half cell corresponding to FIG. 9A exhibited a capacity of about 2.5 milliamp hours at a cutoff voltage of 1.5 V and the coin half cell corresponding to FIG. 9B exhibited a capacity of approximately 3 milliamp hours at the same cutoff voltage .
脱リチウム化の性能は、グラファイト複合電極において電気化学的に利用可能なリチウム金属の量に依存し得る。リチウム金属の量は、電気化学的エネルギーの供給におけるいくつかの役割として寄与する。例えば、リチウム金属は、グラファイト表面のSEI形成のための電気化学的エネルギーや、グラファイトおよび遊離リチウム金属のリチウムイオンのインターカレーションのための酸化還元反応に寄与する。例えば、図9Aから、グラファイト電極フィルム中に遊離リチウム金属が存在すること、および、インターカレートされたリチウムイオンが存在すること、がわかる。図9Aの0.0ミリアンペア時から約1ミリアンペア時までの、電圧がほぼゼロである脱リチウム化プロセスは、遊離リチウム金属によってもたらされ得る。一方、約1ミリアンペア時から約2.5ミリアンペア時まで電圧の上昇は、グラファイト内のリチウムイオンの脱インターカレーションプロセスに起因し得る。図9Bは、図9Aとは対照的に、脱リチウム化プロセスの開始時に電圧が約0.1ボルトであることから、脱リチウム化プロセスでは、グラファイト内でリチウムイオンの脱インターカレーションがほぼ独占的に起こっている可能性を支持する。これらの2つの例は、バルクリチウム金属を適合させる乾式の電極形成処理工程の頑健性(ロバストネス)と、最終電極におけるバルクリチウム金属からの容量を、例えば入力量によって、所望の値に容易に調整できる性能と、を実証する。 The delithiation performance may depend on the amount of lithium metal that is electrochemically available at the graphite composite electrode. The amount of lithium metal contributes as several roles in the supply of electrochemical energy. For example, lithium metal contributes to the electrochemical energy for SEI formation on the graphite surface, and to the redox reaction for intercalation of lithium ions of graphite and free lithium metal. For example, FIG. 9A shows the presence of free lithium metal in the graphite electrode film and the presence of intercalated lithium ions. The delithiation process, with a voltage near zero, from 0.0 milliamp hours to about 1 milliamp hour in FIG. 9A can be effected by free lithium metal. On the other hand, the increase in voltage from about 1 milliamp hour to about 2.5 milliamp hour can be attributed to the deintercalation process of lithium ions in the graphite. FIG. 9B, in contrast to FIG. 9A, is that the voltage is about 0.1 volt at the start of the delithiation process, so in the delithiation process, lithium ion deintercalation in graphite is almost exclusively Support the possibility of happening. These two examples make it easy to adjust the robustness of the dry electrode formation process to adapt bulk lithium metal and the capacity from the bulk lithium metal at the final electrode to the desired value, for example by the input amount To demonstrate the performance that can be done.
図7および図8A〜8Cに示される混合装置、または炭素材料をバルク元素リチウム材料と混合するのに適した他の装置を使用して、例えば本明細書に記載の図3〜6を参照して説明した方法とは別の方法を実施し、バルク電極材料、フィルム、および/またはエネルギー貯蔵装置を形成することができることが理解されよう。 Using the mixing apparatus shown in FIG. 7 and FIGS. 8A-8C, or other apparatus suitable for mixing a carbon material with a bulk elemental lithium material, see, for example, FIGS. 3-6 described herein. It will be appreciated that alternative methods to those described above can be implemented to form bulk electrode materials, films, and / or energy storage devices.
本明細書で用いられる見出し(表題)は、参照のために、および、様々なセクションを位置づけするために用いられる。これらの見出しは、記載された概念の範囲を限定するものではない。これらの概念は、明細書全体を通して適用可能であり得る。 Headings (titles) as used herein are used for reference and to locate the various sections. These headings do not limit the scope of the described concepts. These concepts may be applicable throughout the specification.
開示された実施形態は、当業者が本発明を実施または使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される一般的な原理は、本発明の考え方または範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示される実施形態に限定されるものではなく、本明細書に開示される原理および新規な特徴に合致する最も広い範囲で認められるべきである。 The disclosed embodiments are provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the general principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the spirit or scope of the invention. It can be done. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
以上の説明において、様々な実施形態に適用される本発明の新規な特徴を指摘したが、当業者は、説明された装置または方法の形態および詳細における様々な省略、置換、および変更が、本発明の範囲から逸脱することなしに可能であることを理解するであろう。
While the foregoing description points out novel features of the present invention as applied to various embodiments, one skilled in the art will recognize that various omissions, substitutions and changes in the form and details of the described apparatus or method may be made. It will be understood that it is possible without departing from the scope of the invention.
Claims (38)
上記第1電極および第2電極の少なくとも1つは炭素粒子および元素金属を含む
エネルギー貯蔵装置。 A first electrode, a second electrode, and a separator between the first electrode and the second electrode,
An energy storage device, wherein at least one of the first electrode and the second electrode comprises carbon particles and an elemental metal.
請求項1に記載のエネルギー貯蔵装置。 The carbon particle comprises porous carbon particles, each porous carbon particle having a plurality of pores, at least some of the plurality of pores receiving at least some of the elemental metal. Energy storage equipment.
請求項2に記載のエネルギー貯蔵装置。 The energy storage device according to claim 2, wherein the porous carbon particles contain activated carbon.
請求項2に記載のエネルギー貯蔵装置。 The energy storage device according to claim 2, wherein the porous carbon particles contain hierarchically structured carbon.
請求項2に記載のエネルギー貯蔵装置。 The energy storage device according to claim 2, wherein the porous carbon particles contain mesoporous carbon.
請求項2に記載のエネルギー貯蔵装置。 The energy storage device of claim 2, further comprising a solid electrolyte interface (SEI) layer covering the exposed portion of the elemental metal.
請求項5に記載のエネルギー貯蔵装置。 The energy storage device according to claim 5, wherein the SEI layer covers the exposed portion of the elemental metal underlying the outer surface of the corresponding porous carbon particle.
請求項5に記載のエネルギー貯蔵装置。 6. The energy storage device of claim 5, wherein at least one of the first electrode and the second electrode comprises a dry electrode film containing elemental metal and carbon particles.
請求項1に記載のエネルギー貯蔵装置。 The energy storage device of claim 1, wherein the carbon particles comprise graphite particles.
請求項1に記載のエネルギー貯蔵装置。 The energy storage device of claim 1, wherein at least one of the first electrode and the second electrode comprises an anode.
請求項10に記載のエネルギー貯蔵装置。 The energy storage device according to claim 10, wherein the anode is a lithium ion battery or a lithium ion capacitor anode.
請求項1に記載のエネルギー貯蔵装置。 The energy storage device of claim 1, wherein the elemental metal comprises elemental lithium metal particles.
元素リチウム金属と複数の炭素粒子とを混ぜ合わせて電極フィルム混合物を形成する工程と、
上記電極フィルム混合物から電極フィルムを形成する工程と
を含む方法。 A method of manufacturing an energy storage device, comprising
Combining an elemental lithium metal and a plurality of carbon particles to form an electrode film mixture;
Forming an electrode film from the electrode film mixture.
上記第1電極と上記第2電極との間にセパレータを挿入する工程と
をさらに備えた
請求項13に記載の方法。 Forming a first electrode and a second electrode at least one of which includes the electrode film and a current collector;
The method according to claim 13, further comprising: inserting a separator between the first electrode and the second electrode.
請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, wherein the plurality of carbon particles comprises a plurality of porous carbon particles, each porous carbon particle having a plurality of pores.
請求項15に記載の方法。 16. The method of claim 15, wherein the plurality of porous carbon particles comprise at least one of activated carbon and hierarchically structured carbon.
を含む
請求項15に記載の方法。 In the step of mixing the elemental lithium metal and the plurality of carbon particles, the at least some of the plurality of pores receive at least some of the plurality of elemental lithium metals, the elemental lithium metal and the plurality of the plurality of pores. The method according to claim 15, comprising the step of mixing the porous carbon particles.
をさらに備えた
請求項17に記載の方法。 The method of claim 17 further comprising the step of forming a solid electrolyte interface (SEI) layer on the exposed portion of the elemental lithium metal.
を含む
請求項18に記載の方法。 The method according to claim 18, wherein forming an SEI layer comprises covering an exposed portion of the elemental lithium metal underlying the outer surface of the corresponding porous carbon particle.
を含む
請求項18に記載の方法。 19. The method of claim 18, wherein forming an SEI layer comprises exposing exposed portions of the elemental lithium metal to an electrolyte solvent vapor.
を含む
請求項20に記載の方法。 21. The method of claim 20, wherein the exposing the exposed portion of elemental lithium to the electrolyte solvent vapor comprises exposing the exposed portion of elemental lithium to carbonate vapor.
請求項13に記載の方法。 The method of claim 13, wherein the plurality of carbon particles comprises a plurality of graphite particles.
請求項22に記載の方法。 23. The method of claim 22, wherein the electrode film mixture is a substantially homogeneous mixture.
バルク元素リチウム金属を製造するする工程と、
上記バルク元素リチウム金属のサイズを小さくして複数の元素リチウム金属粒子を形成する工程と
をさらに備えた
請求項13に記載の方法。 The above element lithium metal includes an element lithium metal particle,
Manufacturing bulk elemental lithium metal;
And D. reducing the size of the bulk elemental lithium metal to form a plurality of elemental lithium metal particles.
請求項13に記載の方法。 The method according to claim 13, wherein the step of combining the elemental lithium metal and the plurality of carbon particles comprises the step of combining a dry elemental lithium metal and a plurality of dry carbon particles to form a dry electrode film mixture.
請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, wherein at least one of the first electrode and the second electrode comprises a lithium ion battery or lithium ion capacitor anode.
請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, further comprising disposing the first electrode, the separator and the second electrode in a housing.
請求項27に記載の方法。 28. The method of claim 27, further comprising the steps of adding an electrolyte into the housing and contacting the electrolyte to the first electrode and the second electrode.
請求項28に記載の方法。 29. The method of claim 28, wherein the step of contacting the first electrode and the second electrode comprises pre-doping the second electrode.
元素リチウム金属と、
活性炭素粒子と
を含有する混合物。 A mixture of bulk materials for producing a lithium ion energy storage device,
With elemental lithium metal,
A mixture containing activated carbon particles.
請求項31に記載の混合装置。 32. The mixing device according to claim 31, wherein the internal volume comprises an inert gas.
請求項31に記載の混合装置。 32. The mixing device of claim 31, wherein the activated carbon particles comprise graphite.
請求項31に記載の混合装置。 32. The mixing device according to claim 31, wherein the activated carbon particles include porous carbon particles having the element lithium metal in the pores.
請求項34に記載の混合装置。 35. The mixing device of claim 34, further comprising a vapor of an electrolyte solvent in the interior volume.
上記電極フィルム混合物から第1電極フィルムを形成する工程と
を含む工程によって製造されるエネルギー貯蔵装置。 Combining an elemental lithium metal and a plurality of carbon particles to form an electrode film mixture;
Forming a first electrode film from the electrode film mixture.
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